大学物理实验 报告实验21 教案_大学物理实验报告教案

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物理实验教案

实验名称：用拉伸法测杨氏模量

指导老师：林一仙

时间：2007/2008学年第一学期 1 目的1）掌握拉伸法测定金属杨氏模量的方法；

2）学习用光杠杆放大测量微小长度变化量的方法； 3）学习用作图法处理数据。仪器

杨氏模量仪、光杠杆、尺读望远镜、卷尺、卡尺、千分尺、砝码。实验原理

3.1杨氏模量

任何固体在外力使用下都要发生形变，最简单的形变就是物体受外力拉伸（或压缩）时发生的伸长（或缩短）形变。本实验研究的是棒状物体弹性形变中的伸长形变。

设金属丝的长度为L，截面积为S，一端固定，一端在延长度方向上受力为F，并伸长△L，如图 21-1，比值：

L是物体的相对伸长，叫应变。LF是物体单位面积上的作用力，叫应力。

S根据胡克定律，在物体的弹性限度内，物体的应力与应变成正比，即

FL YSL则有

YFL

（1）SL

（1）式中的比例系数Y称为杨氏弹性模量（简称杨氏模量）。

实验证明：杨氏模量Y与外力F、物体长度L以及截面积的大小均无关，而只取决定于物体的材料本身的性质。它是表征固体性质的一个物理量。

根据（1）式，测出等号右边各量，杨氏模量便可求得。（1）式中的F、S、L三个量都可用一般方法测得。唯有L是一个微小的变化量，用一般量具难以测准。本实验采用光杠杆法进行间接测量(具体方法如右图所示)。3.2光杠杆的放大原理如右图所示,当钢丝的长度发生变化时，光杠杆镜面的竖直度必然要发生改变。那么改变后的镜面和改变前的镜面必然成有一个角度差，用θ来表示这个角度差。从右图我们可以看出：

tgL（2）h这时望远镜中看到的刻度为1，而且102，所以就有：

NN0tg21（3）

D采用近似法原理不难得出：

NN1N02DL

h

（4）

这就是光杠杆的放大原理了。将（4）式代入（1）式，并且S=πd,即可得下式

Y这就是本实验所依据的公式。

8LDF

d2hN4 教学内容

1）2）3）调节仪器底部三脚螺丝，使G平台水平。

将光杠杆的两前足置于平台的槽内，后足置于C上，调整镜面与平台垂直。

调整望远镜使其与光杠杆镜面在同一高度，并调节望远镜大致水平。再调整标尺与望远镜的支架（左右移动）于合适位置使标尺与望远镜以光杠杆镜面中心为对称，并使镜面与标尺距离D约为1.5米左右。在望远镜外面附近找到光杠杆镜面中标尺的象（如找不到，应上下移动标尺的位置或微调光杠杆镜面的垂直度）。再把望远镜转动到眼睛所在处，调节在望远镜的物镜调焦旋钮，便可看到光杠杆镜面和镜框（不一定很清晰）。稍稍调节望远镜的高度和角度，使望远镜中能看到整个镜面。

调节目镜，看清十字叉丝，调节调焦旋钮，看清标尺的反射象，而且无视差。若有视差，应继续细心调节目镜，直到无视差为止。检查视差的办法是使眼睛上下移动，看叉丝与标尺的象是否相对移动；若有相对移动，说明有视差，就应再调目镜直到叉丝与标尺象无相对运动（即无视差）为止。记下水平叉丝（或叉丝交点）所对准的标尺的初读数N0，N02 4）

5）

6）7）8）一般应调在标尺0刻线附近，若差得很远，应上下移动标尺或检查光杠杆反射镜面是否竖直。

每次将1.000kg砝码轻轻地加于砝码钩上，并分别记下读数N

1、N

2、…、Ni，共做6次。

每次减少1.000kg砝码，并依次记下记读数Ni1，Ni2，…、N0。当以上步骤完成之后，把砝码加到1.000kg，测出金属丝上、中、下的直径d’，再把砝码加到6.000kg测出金属丝上、中、下的直径d’’,并求平均值，作为金属丝的直径d值。

用卡尺测出光杠杆后足尖与前两足尖的距离h，用尺读望远镜的测距功能测出D（长短叉丝的刻度差乘100倍）。如下图所示： 9）

10）用图解法处理实验数据确定测量结果及测量不确定度。实验教学组织及教学要求

讲解原理，测量要求，测量的注意事项； 让学生自行操作；

检查数据，并要求整理。实验教学的重点与难点

重点：掌握用光杠杆法测量微小变化量的方法； 难点：微小测量量的装置调整。实验中容易出现的问题

1）光杠杆及镜尺系统一经调好，中途不得再任意变动，否则所测数据无效。

2）加、减砝码要细心，须用手轻轻托住砝码托盘，不得碰动仪器；而且需待钢丝伸缩稳定后方可读数。夹钢丝的圆体有时会与平台接触过紧，导致无法被拉动，读数不会变化，此时需要转动圆体，使它处于能自由伸缩的位置。

3）在测量钢丝伸长量过程中，不可中途停顿而改测其他物理量（如d、L、D等），否则若中途受到另外干扰，则钢丝的伸长（或缩短）值将发生变化，导致误差增大。实验参考数据次F(*9.8N)Ni(加，cm)序2 3 4 5 6 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 0 1.38 2.90 4.30 5.72 7.12

Ni(减，cm)

-0.05 1.65 2.95 4.45 5.90 ——

N

-0.02 1.52 2.92 4.38 5.81 7.12

d(1kg)d(6kg)L(cm)D(cm)H(cm)

0.442 0.465 0.438 —— —— ——

0.440 0.460 0.455 —— —— ——

98.00 —— ——

—— ——

7.842 —— ——

距离D统一用望远镜来测量；测d之前要先检查仪器的零点误差。

9实验结果检查方法

N是等量变化的；

卡尺最后一位是偶数 ；

如果没有修正千分尺的误差有可能造成数据错误； 测D的方法决定它的有效数字的个数。

10课堂实验预习检查题目

实验目的，实验仪器，实验涉及的物理量和主要的计算公式，实验内容、主要步骤，及注意事项，记录数据表格（三线格）。

11思考题

1）本实验为什么用不同仪器来测定各个长度量？

2）光杠杆法能否用来测量一块薄金属片的厚度？如何测量？

3）调节光杠杆镜尺系统时，若遇到下列现象时你将如何处理（即如何调节）？（1）用望远镜找标尺的像时，看到了光杠杆的镜面，而看不到标尺的像。（2）某一同学已调好的光杠杆系统（他确实已调好了），但你去看时感到标尺的像很模糊。