在材料力學實驗教學中運用電測法的體會

鄭艷　羊海林

摘 要 在材料力學實驗教學中，電測法是常用的方法之一，初學者對電測法的原理難以理解。本文以金屬材料彈性模量和泊松比測定實驗為例，介紹了在材料力學實驗中如何生動地導入電測法，從而讓學生充分掌握實驗的原理和方法。

關鍵詞 電測法 材料力學實驗 彈性模量 泊松比

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.055

2011年教育部下達了實施“關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見”的通知，主要目的是針對當前我國工程教育培養過程中，理論教學環節薄弱、學生動手能力差的現狀；要求改變現有的灌輸式教學，形成創新教育的氛圍，進一步推動工程教育教學改革，提高工程教育的教學質量。①

材料力學實驗是土木、材料和機械等工科類專業的必修基礎課，是進一步加深學生對材料力學的認知、鞏固材料力學的基本概念、樹立嚴謹科學態度、培養學生創新精神、增強工程實踐能力、提高學生綜合素質的重要環節。②近幾年隨著高校學生人數的不斷增加，相應配套的實驗教學儀器設備不足、新的儀器設備購置時間漫長等一系列問題的出現，導致高校實驗教師往往要投入大量時間來應付，因此嚴重影響了實驗教學過程，從而很難實現優質高效的實驗教學效果，更談不上通過實驗教學提升學生的綜合能力。

目前，大多數高校的材料力學實驗教學遵循這樣的步驟：首先由教師講解本次實驗的內容、儀器操作流程以及注意事項，隨后向學生演示實驗過程；然后學生按照演示的步驟完成實驗過程；最后記錄并整理數據，提交實驗報告。在整個實驗教學過程中，學生只是按照教師或教材的指導機械地完成操作儀器，對于實驗目的、實驗現象所反映的問題缺乏深入的思考，實驗做完后很多學生只知其然不知其所以然。尤其是在材料力學實驗中對金屬材料彈性模量和泊松比測定需要用到電測法，然而初學者對力學實驗中出現的電學原理和方法一下子很難接受，并且很難跟其所掌握的理論知識相結合。整個材料力學實驗完成以后，由于學生對實驗原理的理解不夠透徹，無法提高和加深對理論知識的掌握與運用。

1 電測法的基本原理

電阻應變測量簡稱電測法，其原理是在被測物體表面的力學量、物理量等非電量變化通過傳感元件轉換成電量變化的一種實驗方法（如圖1所示）。電測法作為應變測試方法中的一種在材料力學實驗教學中經常用到，根據電學原理金屬絲在受到拉伸或壓縮時，其截面面積會發生微小變形從而使電阻發生變化，通過信號采集器將電量轉變為變形量。進行實驗前，首先將電阻應變片，用特殊的膠合劑粘貼在被測物體上，當試件受到載荷作用發生變形時，電阻應變片中的電阻絲隨之一起變形，導致電阻絲長度及截面積的改變，從而引起其電阻值的變化。可見，電阻的變化與應變有一定的對應關系。通過電阻應變儀，就可測得相應的變化。利用胡克定律就可求得應力值。③

2 金屬材料彈性模量和泊松比測定實驗中運用電測法出現的問題

彈性模量和泊松比是反映材料性能的重要參數，是材料本身固有的兩個常數，是衡量材料產生彈性變形難易程度的兩個重要物理量，也是設計各種工程結構時選用材料的主要依據之一，因此對材料的彈性模量和泊松比這兩個參數的準確測量顯得非常重要。④一般構件受載，表面上的點處于平面應力或平面應變狀態。通常采用拉伸實驗來測定材料的彈性模量，在材料的彈性范圍內，應力與應變成正比關系，即 = ，從而可以得到彈性模量 = /。大多數的材料在受到拉力作用時，不但沿著材料的長度方向發生變形，同時橫向發生短縮的橫向變形。由材料力學可知，在彈性變形范圍內，橫向變形 和縱向變形 成正比關系，這一比值稱為材料的泊松比，一般以表示，即 = | / |。⑤

筆者一直以來承擔著全校14個工科專業的材料力學實驗教學，絕大部分學生通過材料力學實驗，以及材料力學、工程力學等專業理論課的學習，學生對彈性模量和泊松比的概念有一個初步的理解，但是在實驗測量過程中為何要用到電測法，以及如何實現力學實驗與電測法相結合，并不能完全理解，對如何把力學的量（應力、應變）用電學的方法表達這個原理還一知半解，無法很快接受并做到融會貫通。為了讓學生盡快地理解并掌握電測法原理，并與材料力學實驗充分地相結合，筆者在教學過程中經過不斷嘗試，取得了一些教學體會。

3 運用電測法在材料力學實驗教學中的體會

3.1 從理論到實驗的切入

為了讓學生對電測法這一原理有更清楚、更直觀的認識，筆者在進行材料力學實驗課教學時，先從所要測定的材料兩個基本物理量入手，先引入彈性模量的概念，再結合學生已學的理論知識 = ，得出 = /。以圖2為例， = /， = / 。若能求得應力、應變，則彈性模量很容易就得出。荷載是在實驗過程中施加的外力，可由壓力傳感器測得，橫截面面積可以用 = 椎貿觶渲形約嶠孛嬋磯齲嶠孛婧穸取J約腦た梢圓飭康貿觶衷詰奈侍饈塹越錐蔚摹∫蛭芐。苣延媚殼暗牟飭渴侄尾飭砍隼矗雜？= / 這個公式無法求得。從而引入了電測法求解。

3.2 電測法如何與實驗相結合

講解電測法，先從應變片的構造介紹，當粘貼在試件表面的應變片跟隨試件一起變形時，應變片的電阻絲會因其變形而發生電阻的變化 / = ·，而值是應變片敏感系數，出廠時廠家會標定。因此應變與電阻的變化率之間存在一個比例關系，通過電阻應變儀就可以根據電阻的變化率和靈敏系數直接把應變值采集出來，由于應變片與試件緊密粘貼在一起，此時應變片的應變就代表應變片粘貼部位試件的應變值。這樣，學生就可以明白為何引入電測法，以及電測法的工作原理，等他們自己動手實驗的時候思路就可以非常清晰，對數據的處理也可以比較準確。

4 結束語

筆者在近幾年的材料力學實驗教學過程中，不斷探索教學方法，經過一些嘗試，發現在材料力學實驗中，首先介紹學生的理論知識，讓學生有一個回顧，然后再啟發學生在實驗中如何用理論公式求解相應的參數，再慢慢引入電測法，讓學生一步步理解了實驗的原理，后期學生自己動手實驗時思路比較清晰，處理數據比較準確，整個實驗過程中師生互動較好，達到材料力學實驗教學的目的，提高了學生分析問題、動手解決問題的能力。

注釋

① 徐國強，胡玉林.材料力學實驗教學模式改革的探索和實踐[J].高校實驗室工作研究，2011（4）：36-37.

② 鄭艷，莫時旭.PBL教學法在材料力學實驗教學中的應用[J].中國電力教育，2013（11）：139-140.

③ 張烈霞.電測法測量彈性模量和泊松比的實驗研究[J].機電工程技術，2012（9）：97-99.

④ 王建國，王紅纓，王連慶.低碳鋼彈性模量的實驗室間比對試驗[J].理化檢驗-屋里分冊，2013（10）：483-486.

⑤ 馬媛媛，朱松松.安吉毛竹主要力學性能的測定[J].實驗科學與技術，2013（4）：22-24.