YMC楊氏模量測定儀說明書(老款).doc

YMC-1/YMC-2使用說明書杭州光學(xué)電子儀器有限公司用拉伸法測金屬絲楊氏模量 楊氏模量是表征固體材料彈性形變能力的一個重要物理量，是選定機(jī)械構(gòu)件材料的依據(jù)之一、是工程技術(shù)中常用的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)拉伸法，按光杠桿放大原理裝置來測量金屬絲的加載之形變，光杠桿法的原理已被廣泛應(yīng)用在測量技術(shù)中，如沖擊電流計(jì)和光點(diǎn)檢流計(jì)用光杠桿法的裝置測量小角度的變化。實(shí)驗(yàn)中的儀器結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等內(nèi)容較廣，能使學(xué)生得到全面的訓(xùn)練?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?掌握拉伸法測定鋼絲楊氏模量的原理和方法。1掌握用光杠桿法測量長度微小變化量的原理和方法。2學(xué)習(xí)光杠桿和望遠(yuǎn)鏡直橫尺的調(diào)節(jié)與使用。3學(xué)會用逐差法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器及用具】YMC-1、2楊氏模量測定儀、YMC-1望遠(yuǎn)鏡直橫尺、光杠桿、砝碼、鋼卷尺、千分尺、游標(biāo)卡尺【實(shí)驗(yàn)原理】在外力作用下，固體所發(fā)生的形狀變化，稱為形變。它可分為彈性形變和范性形變兩類。外力撤除后物體能完全恢復(fù)原狀的形變，稱為彈性形變。如果加在物體上的外力過大，以致外力撤除后，物體不能完全恢復(fù)原狀，而留下剩余形變，就稱之為范性形變。在本實(shí)驗(yàn)中，只研究彈性形變。為此，應(yīng)當(dāng)控制外力的大小，以保證此外力去除后物體能恢復(fù)原狀。最簡單的形變是棒狀物體（或金屬絲）受外力后的伸長與縮短。設(shè)一物體長為L，截面積為S。沿長度方向施力F后，物體的伸長（縮短）為L。比值F/S 是單位面積上的作用力，稱為脅強(qiáng)，它決定了物體的形變；比值L/L是物體的相對伸長，稱為脅變，它表示物體形變的大小。按照胡克定律，在物體的彈性限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比，比例系數(shù)Y稱為楊氏模量。 實(shí)驗(yàn)證明，楊氏模量與外力F、物體的長度L和截面積S的大小無關(guān)，而只決定于棒（或金屬絲）的材料。它是描寫物體形變程度的物理量。根據(jù)式（1），測出等號右邊各量后，便可算出楊氏模量。其中F、L和S可用一般的方法測得，唯有伸長量L之值甚小，用一般工具不易測準(zhǔn)確。因此，我們采用光杠桿法來測定伸長量L。 光杠桿如圖1所示，它由可繞軸轉(zhuǎn)動的平面鏡M固定在一個三足架上構(gòu)成。三足尖abc成一等腰三角形，c到前兩足的連線ab的垂直距離為b=cd，長度可以調(diào)節(jié)，ab和鏡面M的轉(zhuǎn)軸平行，且都在垂直于cd的同一平面內(nèi)。圖2為光杠桿放大原理圖。假定開始時平面鏡M的法線On0在水平位置，則標(biāo)尺S上的標(biāo)尺線n0發(fā)出的光通過平面鏡M反射，進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡，在望遠(yuǎn)鏡中形成n0的象而被觀察到。當(dāng)金屬絲伸長后，光杠桿的主桿尖腳c隨金屬絲下落L，帶動M轉(zhuǎn)一角而至M，法線On0也轉(zhuǎn)同一角度至On1。根據(jù)光的反射定律，從n0發(fā)出的光將反射至n2，且n0On1=n2On1=。由光線的可逆性，從n2發(fā)出的光經(jīng)平面鏡反射后進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡而被觀察到。從圖2可以看到 tg=tg2= (On0 = D)由于很小，所以 tg tg22 = 2= 消去，得 = (2) 標(biāo)尺S n2M M n1nn0 c bd a b D L 圖1 光杠桿 圖2 光杠桿的原理圖由式（2）可知，長度微小變化量L可以通過測量b、D和n這些易測的量間接地測量出來。光杠桿的作用是將L放大為標(biāo)尺上相應(yīng)的讀數(shù)差n，L被放大了2D/b 倍，增加D或減小b值在一定范圍內(nèi)可提高光杠桿的靈敏度。過分地增大D值會受到望遠(yuǎn)鏡放大倍率和場地的限制，減小b值就要求對b的測量準(zhǔn)確度相應(yīng)的提高，所以放大倍率的提高是有限度的。另外光杠桿還可用來測量角度的微小偏角。把式（2）代入式（1）中，可得楊氏模量的測量公式為Y= （3）式中，d為金屬絲的直徑?！緝x器簡介】圖3所示的是楊氏模量測定儀、光杠桿。楊氏模量測定儀的底座上有調(diào)節(jié)螺釘，用來調(diào)節(jié)立柱鉛直。兩立柱上端有橫梁A，A的中間裝有夾頭P，用以固定鋼絲的上端。平臺B上有溝槽，是用承托光杠桿的兩前足尖的。平臺上的方孔中有滑動夾頭P，用以加緊鋼絲的下端，它可以在孔中上下自由滑動。光杠桿的后足尖c支在滑動夾頭P上，隨著滑動夾頭的移動c也跟著移動?；瑒訆A頭的下方裝有砝碼鉤，用來加掛砝碼。望遠(yuǎn)鏡直橫尺M(jìn)的使用參見本實(shí)驗(yàn)附錄。 圖3 楊氏模量測定儀裝置圖主要技術(shù)指標(biāo)望 遠(yuǎn) 鏡： 放大倍數(shù) 30倍 物鏡有效孔徑 42毫米 視場角 126 視距乘常數(shù) 100 最短視距 2米標(biāo)尺照明器： 有效長度 150毫米 標(biāo)尺格值 1毫米光杠桿組： 鏡面有效孔徑 35毫米測 量 架： 測量架高 1.8米（YMC1） 測量架高 1.0米（YMC2） 砝 碼： 1000g 7個 (YMC1) 320g 7個 (YMC2)鋼 絲： 直徑 0.5毫米【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1調(diào)節(jié)楊氏模量測定儀的底座螺釘，使平臺水平（實(shí)驗(yàn)室一般已調(diào)好）。2檢查上夾頭和滑動夾頭是否已夾緊鋼絲，觀看滑動夾頭能否在平臺的孔中自如地上下滑動。3在滑動夾頭的下端掛上砝碼托使鋼絲伸直，并使其穩(wěn)定。將光杠桿置于平臺上，使它的后足尖放在滑動夾頭上，后足尖與鋼絲幾乎接觸，它的兩前足尖置于平臺上的溝槽中，并調(diào)整光杠桿鏡面的法線呈水平狀態(tài)。4將望遠(yuǎn)鏡直橫尺置于光杠桿前1.3米左右處，并調(diào)整望遠(yuǎn)鏡筒處于水平位置，使它與光杠桿鏡面的中心部位等高。調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡仰角微調(diào)螺釘，使得視線沿著鏡筒外V字形缺口與準(zhǔn)星的連線看去，可以在光杠桿平面鏡中看到標(biāo)尺的像（具體調(diào)節(jié)參看附）。5調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡直橫尺的目鏡使十字叉絲清晰，然后緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)焦手輪使物鏡在鏡筒內(nèi)伸縮，直到清晰地看到標(biāo)尺刻度的像，且當(dāng)眼睛上下移動兩者無視差為止。記錄十字叉絲橫絲所對準(zhǔn)的標(biāo)尺讀數(shù)。6逐一增加砝碼，每加一個砝碼就記錄一個標(biāo)尺讀數(shù)（i=0，1，2，3，7，）。當(dāng)記錄到時，再逐次減去一個砝碼，記錄相應(yīng)的標(biāo)尺讀數(shù)。7選擇適當(dāng)?shù)牧烤邷y量有關(guān)物理量，原則是使各被測量的有效數(shù)字位數(shù)或相對誤差基本接近。（1）測量鋼絲直徑，用千分尺測鋼絲直徑d，上、中、下各測3次，共9次，然后取平均值。（2）測量鋼絲的原長L（為使鋼絲伸直，可在下掛一個砝碼時測量）和光杠桿鏡面到望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺之間的垂直距離D。（3）將光杠桿放在一張平放的紙上，壓出三個足痕后，測量足尖到兩前足尖連線的垂直距離b。【數(shù)據(jù)表格與數(shù)據(jù)處理】表1 增、減砝碼時的標(biāo)尺讀數(shù)砝碼數(shù)（）F（N）標(biāo)尺讀數(shù)n（）F增F減平均值00119.80229.80339.80449.80559.80669.80779.80表2 鋼絲直徑的測量鋼絲直徑鋼絲的截面積次數(shù)上中下123123123L= ， D= ， b= 表3 用逐差法求標(biāo)尺讀數(shù)的改變量平均值平均絕對偏差【思考題】1 兩根材料相同但粗細(xì)不同的金屬絲，它們的楊氏模量相同嗎？為什么？2 利用光杠桿測量長度微小變化量有何優(yōu)點(diǎn)？如何提高它的靈敏度？3 本實(shí)驗(yàn)使用了哪些測量長度的儀器？選擇它們的依據(jù)是什么？它們的儀器誤差各是多少？4 實(shí)驗(yàn)時如果發(fā)現(xiàn)增重和減重時，望遠(yuǎn)鏡中標(biāo)尺讀數(shù)相差較大；或砝碼按比例變化時，標(biāo)尺讀數(shù)的變化量不成比例。試分析出現(xiàn)這種情況可能有哪些原因？哪個是主要的？【注意事項(xiàng)】1加負(fù)荷時一定不可超過鋼絲的彈性限度（不超過儀器所備砝碼），否則上述計(jì)算公式就不成立。2被測鋼絲長度調(diào)整好后，一定要用鎖緊螺釘將鋼絲緊固在鋼絲夾頭中，防止鋼絲偏斜與滑長。3光杠桿，望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺調(diào)整好后，整個實(shí)驗(yàn)中防止位置變動。4保持被測鋼絲在整個實(shí)驗(yàn)中處于垂直狀態(tài)。5加取砝碼要輕取輕放，待鋼絲不動時再觀測數(shù)據(jù)。6若已消除視差，但是觀測標(biāo)尺時眼睛仍應(yīng)盡可能正對望遠(yuǎn)鏡。7儀器使用和安裝過程中，應(yīng)避免碰撞，防止損壞油漆表面。注：實(shí)驗(yàn)用具自備附Y(jié)MC-1望遠(yuǎn)鏡直橫尺使用說明書一、用途望遠(yuǎn)鏡直橫尺是觀測觀測遠(yuǎn)處標(biāo)尺讀數(shù)的一種光學(xué)儀器，它常與光杠桿配套使用。該儀器采用了內(nèi)調(diào)焦系統(tǒng)，使最短視距縮小，便于室內(nèi)使用，并利用儀器分劃板上下絲讀數(shù)之差，乘以視距常數(shù)100，就是望遠(yuǎn)鏡上的標(biāo)尺照明器到光杠桿的反光鏡的往返距離，不需要用鋼板尺測量。二、主要技術(shù)指標(biāo) 放大倍數(shù) 30倍 物鏡有效孔徑 42毫米 視場角 126 視距常數(shù) 100 最短視距 2米 標(biāo)尺格值 1毫米標(biāo)尺照明器的電源 220V、50Hz三、基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) 儀器外形如圖1所示。儀器由底座9、內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡5、可調(diào)標(biāo)尺照明器7等組成。內(nèi)調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，為便于調(diào)節(jié)和測量，在物鏡和目鏡之間有叉絲分劃板和內(nèi)調(diào)焦透鏡。叉絲分劃板固定在B筒上，內(nèi)調(diào)焦透鏡由微調(diào)手輪帶動齒條，使其在鏡筒A中沿軸線前后移動。目鏡則裝在B筒內(nèi)，可沿筒前后移動以改變目鏡與叉絲分劃板間的距離。 圖1 望遠(yuǎn)鏡直橫尺1-標(biāo)尺支架鎖緊旋鈕；2-仰角微調(diào)螺釘；3-目鏡旋鈕；4-內(nèi)調(diào)焦手輪；5-望遠(yuǎn)鏡；6-望遠(yuǎn)鏡鎖緊手輪；7-標(biāo)尺照明器；8-標(biāo)尺照明器支架；9-底座；10-光杠桿發(fā)射鏡。四、使用方法1將光杠桿反射鏡的法線調(diào)到大致水平，將標(biāo)尺照明器的電源線插入AC220V的電源，在望遠(yuǎn)鏡旁觀察，尋找反射鏡中標(biāo)尺的像，由于人眼對動目標(biāo)捕獲能力強(qiáng)，所以可用手在標(biāo)尺前上下移動，觀察手及標(biāo)尺在鏡中的像。若尋找不到或手的位置偏高或偏低，則調(diào)節(jié)反射鏡面的方位，移動望遠(yuǎn)鏡直橫尺的底座，使觀察到手的位置處于標(biāo)尺中部，刻度約0處。松開鎖緊手柄6，上下移動望遠(yuǎn)鏡使望遠(yuǎn)鏡筒與光杠桿鏡面的中心部位等高，左右轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡和調(diào)節(jié)仰角微調(diào)螺釘2，使沿鏡筒外的V形缺口和準(zhǔn)星的視線在反射鏡中能看到標(biāo)尺的像，固定鎖緊手柄。2調(diào)節(jié)目鏡旋鈕3使分劃板叉絲清晰，且處于水平垂直狀態(tài)，轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪4進(jìn)行調(diào)焦。若從望遠(yuǎn)鏡中只看到楊氏模量儀的平臺、或立柱、或鋼絲等部件，則要細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡的上下、左右位置。若調(diào)焦時只能看到反射鏡的玻璃面，而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)內(nèi)調(diào)焦手輪仍找不到標(biāo)尺的像，則要細(xì)心微調(diào)反射鏡法線的方位，或平移望遠(yuǎn)鏡直橫尺底座，直到從望遠(yuǎn)鏡中觀察，可從反射鏡中清晰看到標(biāo)尺上約0處的像與水平叉絲平行為止。若標(biāo)尺像上下有一部分不清晰，則微調(diào)仰角螺釘；若左右有一部分不清晰，則微微左右轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡。五、注意事項(xiàng)1注意保護(hù)物鏡和目鏡，與測量顯微鏡的要求相同。2調(diào)整儀器時，切記要用手托住望遠(yuǎn)鏡的移動部分，然后再旋松鎖緊手柄，以免望遠(yuǎn)鏡沿立柱下滑與底座相撞。3各手輪與旋鈕和可動部件如發(fā)生阻滯現(xiàn)象，應(yīng)查明原因。在原因未查清前，切勿過分扭扳，以防損壞儀器。4鏡頭表面鍍有增透膜，避免潮濕和腐蝕性氣體，不要用粗布擦鏡頭。5為了安全，標(biāo)尺照明器需專業(yè)人員維修。六、用視距常數(shù)測量光杠桿鏡面到望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺之間的垂直距離D如圖3所示，分劃板上、下視距絲是測距的基準(zhǔn)，D與L有如下關(guān)系式中為視距常數(shù)，YMC-1望遠(yuǎn)鏡直橫尺的=100，所