楊氏模量實驗儀器快速調節法

吉曉瑞

摘要：提出一套楊氏模量實驗的簡潔有效操作方法——快速調節法，觀測者可以在2分鐘甚至更短的時間內在望遠鏡中觀察到標尺的像.

關鍵詞：楊氏模量;調節方法;誤差

[中圖分類號]O4-33[文獻標志碼]A

Fast Adjusting Method of Young's Modulus

Experimental Instrument

JI Xiaorui

（Department of Basic Teaching，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China）

Abstract：A simple and effective method for measuring young's Modulus of steel wire by tension method is induced——quick adjustment method.The image of the ruler can be seen in the telescope in 2 minutes or less.

Key words：Young's Modulus;adjusting method;error

力作用于物體所引起的效果之一是使受力物體發生形變，物體的形變可分為彈性形變和塑性形變.楊氏模量是表征固體材料性質的一個重要的物理量，實驗測定鋼絲楊氏模量的方法很多，如靜態拉伸法、動態共振法、梁彎曲法、超聲波測量法[1]、納米壓入法[2]、光纖傳感法[3]以及光柵尺法[4]等.光杠桿法屬于靜態拉伸法，可以實現非接觸式的放大測量，且直觀、簡便、精度高，高校多采用此法進行教學.筆者提出楊氏模量實驗簡潔有效的操作方法——快速調節法，把操作重點放在確保標尺、平面鏡和望遠鏡的光路在同一個水平面內，觀測者可以在2分鐘之內觀察到標尺的像.

1楊氏模量實驗快速調節法

圖1為實驗用到的各種元件，光杠桿的放置方法如右上圖所示.1為鋼絲，2為光杠桿，3為平臺，4為活動夾頭，5為砝碼，6為支架底腳，7為標尺 ，8為尺讀望遠鏡.實驗的光路圖為標尺7所發出的光線經光杠桿2上的平面鏡反射進入到尺讀望遠鏡8中，這樣觀測者就可以讀出每增減一個砝碼后標尺的讀數變化.

1.1傳統調節方法

步驟一調節支架和望遠鏡的相對位置.望遠鏡是觀察稍遠距離物體的光學器件，所以支架至少要距離望遠鏡1.5 m遠.

步驟二調節底腳水平.旋轉3個底腳調節螺絲，將平臺3上水平儀中的氣泡調節到中央小圓圈內.

步驟三放置光杠桿.將光杠桿前方兩個尖足放在平臺最外面的溝槽內，后面一個尖腳放在圓柱夾具上面，調整平面鏡垂直地面.調節望遠鏡的水平，調節望遠鏡目鏡下方附近的調節螺絲，使望遠鏡姿態水平，以便于后續在水平方向上的微調.這里只需要固定好望遠鏡的豎直位置，即擰緊豎直固定螺絲，而水平方向不必固定.

步驟四調節望遠鏡高度.將望遠鏡移近光杠桿，調節望遠鏡的高度，使望遠鏡的鏡筒正好與平面鏡高度相同，移回望遠鏡.

步驟五調節標尺的高度.將標尺中間的零刻線大致放置在望遠鏡的物鏡中央高度附近，目的是保證讀數時標尺夠測量長度.

步驟六仔細調節光杠桿平面鏡與望遠鏡物鏡正對，這一步驟是直接影響到能否快速看到標尺的像的關鍵.如果平面鏡與物鏡不能正對，也就是平面鏡的反射光線與望遠鏡不在同一個平面內，望遠鏡接收不到標尺的反射光線，觀察者就看不到標尺的像了，導致實驗失敗.

步驟七形成等腰三角形反射光路，從目鏡中觀察標尺的像.實驗中的光路其實是以標尺、平面鏡和望遠鏡為三個點的等腰三角形，當完成第六步后，將望遠鏡支架稍稍向右移動一點，略過望遠鏡用眼睛直接觀察平面鏡，此時，就可以看到平面鏡已經能夠很好地反射標尺的像了，如圖2a所示，稍稍旋轉望遠鏡對準平面鏡，調節一下望遠鏡的焦距，就可以在望遠鏡中觀察到清晰的標尺的像，如圖2b所示.

1.2快速調節法

楊氏模量實驗快速調節法的重要調節操作放在確保標尺、平面鏡和望遠鏡的光路在同一個水平面內，觀測者可以在2分鐘之內觀察到標尺的像.

先將望遠鏡垂直正對平面鏡，緊貼鏡筒上方直接觀察平面鏡里物鏡的像.調節平面鏡的豎直角度和左右角度，調節到平面鏡反射出完整的物鏡的像.圖3為此步驟微調過程中的一些情況，圖3a為平面鏡仰角過大，圖3b為平面鏡俯角過大，圖3c為支架和平面鏡左偏，圖3d為支架和平面鏡右偏.平面鏡上下不對正，可以輕輕的微調平面鏡的仰角;左右不對正，就要輕輕的旋轉支架.圖3e為平面鏡完全反射物鏡的像的理想情況.

2楊氏模量實驗容易產生誤差的原因

支架不豎直支架不豎直會引起平臺3中的圓柱夾具向下移動時摩擦力增大.平臺有水平儀，調節好三個底腳，支架就豎直了.三個尖足上翹，旋轉時會引起一定的誤差.

螺旋測微器讀數誤差螺旋測微器的讀數誤差，分為零點偏差正負錯誤和測量讀數誤差，正負號搞混易造成實驗錯誤，應采取在鋼絲的上中下位置多次測量，減小實驗誤差.測量讀數誤差一般都很小，觀測者讀數時，螺旋測微器離開鋼絲進行讀數，移動時可能產生誤差.讀數視線角度不好和鋼絲形狀問題，也會造成讀數誤差.

光杠桿長度選擇光杠桿的放大倍數越大，讀數越準確，光杠桿長度引起的誤差越小.要根據鏡尺距離和標尺的量程選擇光杠桿的長度，讓光杠桿的長度最大.

鋼絲原長的測量固定好支架頂端的鋼絲卡夾，確保在整個實驗過程中卡夾不松動，鋼絲不滑動.測量鋼絲原長的時候，掛上一個砝碼，把鋼絲拉直一些，減少實驗誤差.

鏡尺距離的選擇鏡尺距離D>1.5 m即可滿足實驗要求.因為實驗室空間有限，沒必要將平面鏡和標尺擺放的太遠，只要拉直米尺認真讀數，此處誤差很小.

加減砝碼操作這個步驟最容易引起誤差，是產生最大讀數誤差的環節.一是加減砝碼的時間間隔，加減砝碼的時間間隔5秒最佳.鋼絲是鋼性材質，不可能像彈簧或者橡皮筋那樣快速的伸長和縮短，增加1個砝碼后，鋼絲在多長時間伸長恰到好處呢？減少1個砝碼鋼絲的收縮情況和增加1個砝碼的伸長情況相同嗎？鋼絲是伸長難，縮短更難，因為有殘余應力和疲勞程度等問題[5]，增加一個砝碼的伸長量要大于減少一個砝碼的縮短量，所以在實驗結束時的標尺讀數要大于開始時的讀數，即鋼絲最后并沒有恢復到原長.實驗中，要求加減砝碼的時間間隔要盡量一致，時間間隔不一致，差值就更明顯.二是讀數.掛砝碼時左右扶住砝碼以穩定托盤，保持目鏡中標尺的像穩定，選擇標尺上下擺動的中間位置讀數.加砝碼時要注意方向，盡量保持上下質量分布均勻，避免所有砝碼槽都在同一方向.

數據處理如果鏡尺距離、光杠桿長度和鋼絲原長只進行了單次測量，將其結果看成其平均值，也會引起結果誤差.

3總結

提出楊氏模量實驗快速調節法，把操作重點放在確保標尺、平面鏡和望遠鏡的光路在同一個水平面內，觀測者可以在2分鐘之內觀察到標尺的像.本科教學中應多開設器材元件多的實驗，在元件的組裝和調節過程中鍛煉學生的動手能力和創新能力.[6-7]

參考文獻

[1]段陽.楊氏彈性模量測量實驗綜述 [J].物理與工程，2020（3）：89-102.

[2]尤力，宋西平，林志，等.金屬絲彈性模量的測量方法研究 [J].稀有金屬材料與工程，2007，36（10）：1776-1779.

[3]薛思敏，史明哲.利用反射式光纖位移傳感器測量鋼絲的楊氏模量 [J].大學物理實驗，2020，33（2）：22-24.

[4]王才林，邵明珠，張歡，等. 立足思維培養基于“問題導向”理念的實驗教學新嘗試—以測量鋼絲楊氏模量實驗為例 [J].物理與工程，2021，31（4）：64-68.

[5]陳衛民，緱慶林.對鋼絲繩結構伸長及預張拉的認識 [J].金屬制品，2011，37（3）：1-3.

[6]遲建敏.物理教學中創新能力的培養 [J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2007（2）：58-59.

[7]李科敏.物理實驗改革與物理師范生綜合素質的提升 [J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2011（4）：64-65.

編輯：吳楠