拉伸法測金屬楊氏模量實驗的智能化設(shè)計

戰(zhàn)麗波

（濱州醫(yī)學(xué)院，山東 煙臺 264003）

拉伸法測金屬楊氏模量實驗的智能化設(shè)計

戰(zhàn)麗波

（濱州醫(yī)學(xué)院，山東 煙臺 264003）

針對醫(yī)學(xué)院學(xué)生的特點，對傳統(tǒng)的楊氏模量測量儀進行智能化的設(shè)計改進。該智能化設(shè)計能夠有效解決傳統(tǒng)的楊氏模量測定實驗存在的調(diào)試難點，滿足醫(yī)學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

楊氏模量；光杠桿；智能化設(shè)計

楊氏模量反映了材料的彈性性質(zhì)，表示材料變形的難易程度，彈性模量越大物體越不容易變形［1］。拉伸法測定金屬楊氏模量實驗是《醫(yī)用物理學(xué)實驗》中的一個經(jīng)典的驗證性實驗［2］。在進行醫(yī)學(xué)物理學(xué)的實驗教學(xué)當(dāng)中，我發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在真正動手使用儀器測定金屬絲楊氏模量的實驗過程中存在的一些實際的操作問題。

而實際上對于理工科的學(xué)生而言，如何利用光杠桿找到標(biāo)尺的像也是個調(diào)試難點。醫(yī)學(xué)生在進行這項實驗時更關(guān)注的是楊氏模量與醫(yī)學(xué)的相關(guān)性，因此，針對醫(yī)學(xué)生的特點，對實驗器材進行了智能化的設(shè)計改進，提高了實驗的可操作性和數(shù)據(jù)的精確性［4-5］。

1 光杠桿放大原理

光杠桿放大原理圖［1］見圖1，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可知

圖1 光杠桿放大原理圖

式中b是光杠桿前后足之間的距離，D是光杠桿鏡面與直尺之間的距離［3］。

由于ΔL?b，α很小，有tanα≈α，tan2α≈2α。所以

由式（1）、式（2）消去α，得:

式中d為金屬絲的直徑，F(xiàn)是一個砝碼對應(yīng)的拉力。

2 智能化實驗設(shè)計及優(yōu)點

2.1 智能化實驗設(shè)計

針對以上出現(xiàn)的問題，我對普通的楊氏模量測量儀進行了智能化的設(shè)計。

如圖2所示，將鋼絲頭固定板通過自帶的夾緊螺栓固定在支架的頂端，將滑輪通過可調(diào)節(jié)裝置固定在支架的底部，取一段長度為支架長度0.5～0.7倍的待測鋼絲，在其一段打結(jié)，另一端穿過光杠桿裝置連接到經(jīng)過校驗的拉力計上。再取一段長度1.5 m左右的鋼絲，其一段固定在拉力器的另一端，穿過滑輪，將鋼絲的另一端固定在手動齒輪拉緊裝置上。調(diào)整滑輪的位置，使待測鋼絲豎直，轉(zhuǎn)動拉緊裝置，使待測鋼絲拉緊，記錄下來拉力計的讀數(shù)。然后調(diào)整光杠桿裝置，使位于光杠桿上的激光發(fā)生器水平。調(diào)整基準(zhǔn)激光發(fā)生器的高度，使兩個激光發(fā)生器處于同一高度，并使發(fā)出的直徑為0.5 mm的激光照到豎直放置的直尺的統(tǒng)一高度上。調(diào)整CCD鏡頭，使其對準(zhǔn)豎直放置的直尺，清晰的讀出激光發(fā)生器照在直尺上的位置。通過電腦應(yīng)用軟件，CCD鏡頭照片在電腦中顯示出來，并可以讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)動拉緊裝置，通過對鋼絲施加不同的拉力F，從計算機中讀取待測鋼絲的形變量ΔL，再用螺旋測微器測出鋼絲的直徑d，用米尺測出L（鋼絲頭固定板與光杠桿在鋼絲繩上的連接點的距離），將其輸入到計算軟件中，系統(tǒng)即可自動求出楊氏模量y.

圖2 智能楊氏模量測量儀

2.2 智能化實驗設(shè)計的優(yōu)點

（1）拉力計、拉力器、手動齒輪拉緊裝置的組合設(shè)計，使得測量過程中不再需要大量砝碼，通過拉力計讀取拉力，節(jié)省了實驗室空間與讀數(shù)時間，增強了實驗的安全性。

（2）將傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡、鏡子、砝碼取消，改用兩個激光發(fā)生器、CCD鏡頭，從而使實驗過程中尋找標(biāo)尺的反射像這個最大的操作難點被徹底消除，增強實驗的直觀性和可操作性。

（3）電腦顯示器和拉緊裝置放置在同一側(cè)，操作者不需要來回走動，消除了實驗室的擁擠混亂情況。

（4）通過計算機影像處理，消除測量過程中人為因素的影響，使得讀取的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。通過軟件程序設(shè)計，避免了得大量的計算過程，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少了誤差。

3 結(jié) 論

通過對傳統(tǒng)楊氏模量測定儀進行的智能化設(shè)計改進，使儀器的調(diào)整更加方便，簡化了測量過程，實驗的可操作性大大增強，實驗過程更加直觀形象。同時，激光發(fā)生器、CCD鏡頭的使用實現(xiàn)了測量的自動化和實時化，大幅度提高了測量數(shù)據(jù)的精確性。

［1］ 胡新珉.醫(yī)用物理學(xué)［M］.北京:人民衛(wèi)生出版社，2008:21.

［2］ 陳月明.醫(yī)用物理學(xué)實驗［M］.北京:安徽大學(xué)出版社，2010:80.

［3］ 甘平.醫(yī)用物理學(xué)實驗［M］.北京:科學(xué)出版社，2008:106.

［4］ 穆曉東，耿雷.游標(biāo)卡尺在測定金屬楊化模量中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理實驗，2013（4）:63-64.

An Intelligent Design on the Experiment of Measuring Young's Module by Stretching

ZHAN Li-bo
（Binzhou Medical College，Shandong Yantai 264003）

We give intelligent designs on the experiment of measuring young's module by stretching，especially for medical students.The intelligent designs simplify the measuring process，so the experiment is more visual and convenience than the conventional experiment.The automation and real-time transformation are achieved and the effect due to the artificial factors in the measurement is eliminated.Then the degree of precision is increased greatly.The intelligent designs can effectively solve the difficulties in the traditional experiment and meet the learning needs of medical students.

Young's modulus；optical lever；intelligent design

O4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.002

1007-2934（2015）01-0005-02

2014-06-19