楊氏模量實驗儀器調(diào)節(jié)與誤差分析

楊氏模量實驗中，直徑d的相對不確定度是影響EY的主要因素，但在不規(guī)范操作的情況下，l的相對不確定度將成為不確定度EY的最大貢獻者，導(dǎo)致因測量值E誤差大而失敗。因此，要做好實驗，首先要能夠正確使用與調(diào)節(jié)儀器，進而更好地理解和運用實驗原理與實驗數(shù)據(jù)處理方法。

楊氏彈性模量光杠桿鏡尺法逐差法相對不確定度楊氏彈性模量（Young's modulus），是1807年英國物理學(xué)家兼醫(yī)生托馬斯·楊（Thomas Young，1773.6～1829.5）所得到的結(jié)論而命名。本實驗采用靜態(tài)拉伸法測量金屬絲沿軸向的楊氏彈性模量。楊氏彈性模量，描述固體材料彈性形變能力的一個重要物理量，表征固體材料在彈性限度內(nèi)，抗拉、抗壓的能力，是選擇機械零件材料的依據(jù)之一，也是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參數(shù)之一。

在外力作用下，固體發(fā)生的形狀變化，稱為形變，分為彈性形變和范性形變兩類。外力撤除后，能夠完全恢復(fù)形狀的形變，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，留有剩余形變，稱為范性形變。在本實驗中，只研究彈性形變，故應(yīng)控制外力的大小，使形變發(fā)生在彈性限度內(nèi)。

設(shè)有一根粗細均勻的金屬絲，原長為L，截面積為S，在受到沿軸向外力F的作用下，伸長（或壓縮）為ΔL。比值F/S是單位面積上的作用力，稱為脅強（或應(yīng)力），它決定了物體的形變；比值ΔL/L是物體在單位長度上的形變，稱為脅變（或應(yīng)變），它表示物體形變的大小。根據(jù)胡克定律（Hooke’s law，1678），在物體的彈性限度內(nèi)，脅變與脅強成正比，比例系數(shù)E稱為該金屬絲的楊氏彈性模量，單位是帕（1Pa=1N/m2）。實驗證明，楊氏模量只與材料的性質(zhì)有關(guān)，而與外力F、物體的長度L和截面積S的大小無關(guān)。設(shè)金屬絲的直徑為d，則有

E=FLSΔL=4mgLπd2ΔL（1）

上式中的m、L、d均可直接測量，而對于微小伸長量ΔL，可用光杠桿鏡尺法來進行精確測量，并得到：

ΔL=bΔn2D（2）

其中，Δn=n1-n0，表示增加一個砝碼時，光標的偏移量。b為光杠桿常數(shù)，D為標尺到反射鏡的距離。（2）式代入（1）式，得

E=8mgLDπd2bΔn（3）

實驗中，在規(guī)范操作的情況下，從理論上分析，不確定度的傳遞公式：

中，直徑d對EY的貢獻最大，為實驗的主要誤差，故而對d選擇多次測量，用d的最近真值di來代替d，減小實驗誤差。但在不規(guī)范操作中，l的實驗誤差將會大于直徑d的測量誤差，成為主要誤差。故而，做好本實驗，首先應(yīng)該明確知道如何調(diào)整、使用儀器，如何進行實驗操作以及如何正確記錄實驗數(shù)據(jù)，并學(xué)會用逐差法處理數(shù)據(jù)，以減小l的實驗誤差。儀器的調(diào)整、使用及實驗步驟主要如下：

1.調(diào)節(jié)測量架。將測量架擺放端正、鉛直，與望遠鏡尺組LED綠色發(fā)光標尺平行；調(diào)節(jié)底腳螺釘，將底座上的水準儀氣泡調(diào)至中央；中托板距長桿頂端均調(diào)為5cm，中托板距下方底座為50cm，保證待測鋼絲在上、中托板間的長度大于80cm；在上夾頭限位孔內(nèi)，用鎖緊螺絲固定上夾頭；在中夾頭距下夾頭3cm處旋緊中夾頭，使之固定在鋼絲上；檢查上、中、下三個夾頭是否旋緊，鋼絲是否牢固，防止加砝碼時，鋼絲滑脫。測量架位置調(diào)好后，一般輕易不再變動。

2.預(yù)置砝碼。在掛鉤上預(yù)置1～2個砝碼，將鋼絲拉直，以免誤把鋼絲彎曲的伸長量當作在重力作用下鋼絲發(fā)生彈性形變的伸長量，給n0及Δn測量帶來誤差。

3.調(diào)節(jié)管制器。先用圓形水平儀檢測帶有三條橫紋的中托板是否水平，再將管制器上表面與中托架調(diào)為水平；通過調(diào)節(jié)底腳螺釘及中托板兩端的鎖緊螺釘，使管制器與中托板圓孔周圍留有縫隙，中夾頭能隨金屬絲的伸縮，上下自由移動，從而消除摩擦力，減小實驗誤差。

4.調(diào)節(jié)光杠桿。調(diào)節(jié)光杠桿常數(shù)b的長度。增大光杠桿b，在相同情況下，可以縮小θ，從而滿足tanθ～θ、tan2θ～2θ近似值的要求。將光杠桿兩前尖腳置于中托板的橫槽內(nèi)，主桿尖腳置于管制器上表面夾頭處，盡量靠近鋼絲，但不能接觸鋼絲，以免主桿尖腳給鋼絲一個向后的推力，增加管制器與圓孔間的摩擦力，或增加鋼絲與主桿尖腳之間的靜摩擦力，影響讀數(shù)的準確性。光杠桿的反射鏡垂直于中托板平面放置，且與標尺保持平行。

5.粗調(diào)望遠鏡尺組位置。望遠鏡尺組與光杠桿反射鏡的距離應(yīng)保持在2m以上，增大D可以提高系統(tǒng)的測量精度。用鋼卷尺測量光杠桿反射鏡軸心距地面的高度h，調(diào)節(jié)望遠鏡的高度，使其軸線距地面的高度為h，即保證望遠鏡軸線與反射鏡軸線在同一高度。望遠鏡軸線與其平臺水平，與標尺垂直。檢查望遠鏡筒上的定位圓心、三角頂尖及反射鏡軸心是否三點一線，眼睛順著望遠鏡筒軸線方向，觀察反射鏡內(nèi)是否有標尺的成像。如無，則可左右移動望遠鏡底座的位置，直到找到成像為止。望遠鏡尺組位置調(diào)好后，整個實驗中防止輕易發(fā)生變動。

6.調(diào)節(jié)激光發(fā)射裝置。聚焦激光發(fā)射裝置，保證激光在反射鏡上成像為一圓點，微調(diào)望遠鏡升降螺釘，使其成像于鏡面軸心位置，反射到光標尺上為一小紅斑，且應(yīng)與光源位置大致等高。如不能反射到光標尺的相應(yīng)位置上，可微調(diào)反射鏡的俯仰，或重新校正支架

主要包括課前學(xué)習、課堂交流合作和課后反思3個部分。在這個過程中，“翻轉(zhuǎn)課堂”主要翻轉(zhuǎn)什么？如何翻轉(zhuǎn)？這些問題都是“翻轉(zhuǎn)課堂”關(guān)注的重要議題。

“翻轉(zhuǎn)課堂”在應(yīng)用前，首要明確的問題是，翻轉(zhuǎn)什么？才能更好地為實踐導(dǎo)航。首先，“翻轉(zhuǎn)課堂”顛倒了傳統(tǒng)的教學(xué)流程，形成了“先學(xué)后教”的教學(xué)范式。在傳統(tǒng)課堂上，教師先教，學(xué)生后學(xué)，整堂課時間幾乎被教師占用，并非所有的學(xué)生都參與其中。而“翻轉(zhuǎn)課堂”則是學(xué)生課前自主學(xué)習，課中教師以學(xué)定教，實現(xiàn)“因材施教”。其次，“翻轉(zhuǎn)課堂”顛倒了傳統(tǒng)的教學(xué)理念。傳統(tǒng)課堂注重規(guī)制化教育，對人才培養(yǎng)模式是“千人一面”，忽視學(xué)生主體的個性化和內(nèi)在需求，這與我們提倡的素質(zhì)教育相違背，很難回歸到“以學(xué)生為中心”的教育原點，而“翻轉(zhuǎn)課堂”真正做到了“生本教育”，做到了針對性、分眾化的特色教育。再次，“翻轉(zhuǎn)課堂”顛倒了教師和學(xué)生的角色。教師從傳統(tǒng)課堂的知識傳授者、課堂管理者變成了學(xué)習的促進者和設(shè)計者，教師成為課堂的“導(dǎo)演”，統(tǒng)籌布局，讓學(xué)生從被動接受者變?yōu)橹鲃訉W(xué)習的研究者。

明確了“翻轉(zhuǎn)課堂”要翻轉(zhuǎn)的內(nèi)容和目的之后，接著就要考慮如何翻轉(zhuǎn)的問題。“翻轉(zhuǎn)課堂”與傳統(tǒng)課堂最大的不同之處，在于它要依托一定的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，創(chuàng)建教學(xué)微視頻，這是在學(xué)生課前學(xué)習之前所要完成的任務(wù)。微視頻是課前知識傳授的重要載體，其質(zhì)量好壞直接影響著學(xué)生學(xué)習的效果和課堂活動的實施，應(yīng)符合短小精悍和實用性標準。課堂交流合作階段是學(xué)生形成學(xué)習合力的過程，課堂活動決定了學(xué)生學(xué)習的質(zhì)量。因此，教師應(yīng)提出一些有探究價值的問題情境，要突破傳統(tǒng)思維，幫助學(xué)生在問題探究、交流過程中培養(yǎng)其科學(xué)素養(yǎng)、思維能力和團隊合作意識。

學(xué)生課堂學(xué)習的效果及成果該如何處理？這也是課堂學(xué)習過后需要解決的問題。一方面，學(xué)生可以在班級交流群里上傳個人作品或交流心得體會，共享學(xué)習成果。另一方面，教師要多方位、多視角地對學(xué)生課堂交流合作的情況作出客觀、如實的總結(jié)和反思，進而有針對性和實效性的改善自己的教學(xué)。

四、結(jié)語

“翻轉(zhuǎn)課堂”的推廣與應(yīng)用，并非一朝一夕之事，它需要教育信息技術(shù)的高度普及，社會教育機構(gòu)及家長的支持與保障，更需要教師對翻轉(zhuǎn)理念的深入理解，對課堂教學(xué)管理行為的把握，對視頻制作相關(guān)技能以及學(xué)生自覺學(xué)習的要求等。同時，“翻轉(zhuǎn)課堂”的實施也備受懷疑和批判，有人認為它是傳統(tǒng)講授法的一個高科技版本?？傊?，存在即合理，“翻轉(zhuǎn)課堂”是一個值得我們?nèi)ヌ接憽⒀芯康闹匾掝}。

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