楊氏模量儀快速調(diào)節(jié)十字訣

張　巖，王素紅

(信息工程大學(xué),河南 鄭州　450001)

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楊氏模量儀快速調(diào)節(jié)十字訣

張巖，王素紅

(信息工程大學(xué),河南 鄭州450001)

摘 要：在不添加任何輔助設(shè)施并考慮減小系統(tǒng)誤差的前提下，由實踐總結(jié)出來拉伸法測楊氏模量實驗調(diào)節(jié)十字決，為快速調(diào)節(jié)楊氏模量試驗儀提供了一個可行策略。

關(guān)鍵詞：楊氏模量;十字訣;快速調(diào)節(jié)

任何物體受到拉力或壓力作用時，都會產(chǎn)生形變，楊氏模量就是衡量物體產(chǎn)生彈性形變難易程度的物理量。由于楊氏模量僅與材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)成分及其加工制造方法有關(guān)，所以它是選定機械零件材料的依據(jù)之一，是工程技術(shù)設(shè)計中常用的參數(shù)。用拉伸法測金屬絲的楊氏模量由于蘊含著豐富的物理實驗思想和方法，不僅是大學(xué)物理實驗中一個重要的基礎(chǔ)性物理實驗，而且也是歷屆高中物理實驗競賽考核的一個重點。

這個實驗利用光杠桿鏡尺法的放大作用，將對微小形變量的測量轉(zhuǎn)化為對平面鏡反射光線位移的測量，從而實現(xiàn)對微小形變量的非接觸式測量。實驗的難點和成功的關(guān)鍵是調(diào)整光杠桿鏡尺測量系統(tǒng)(包括光杠桿、望遠鏡與尺子組成的鏡尺結(jié)構(gòu))，最終能夠通過望遠鏡觀察到平面鏡反射的尺子的像。然而對于如何快速調(diào)整成像，大部分教材[1-4]都沒有涉及,所以初次接觸此實驗的學(xué)生，往往花費1-2個小時進行儀器調(diào)試還達不到實驗要求；而有些文獻所提出的立靶法[5]、正交定量調(diào)節(jié)法[6]和中垂線調(diào)節(jié)法[7]不僅難以理解，具體操作比較復(fù)雜，而且并無考慮減小系統(tǒng)誤差[8-9]。本文作者根據(jù)實踐總結(jié)出來的“水平、鉛直、等高、共線、聚焦”十字訣為快速調(diào)節(jié)楊氏模量試驗儀提供一個簡便可行策略。根據(jù)這十字訣即使首次接觸本實驗的學(xué)員也均可在十幾分鐘內(nèi)獨立快速的調(diào)好實驗儀器，在極大提高實驗效率的同時，又兼顧減小系統(tǒng)誤差。

1實驗原理

根據(jù)胡克定律，彈性限度內(nèi)，物體的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)就是楊氏模量Y。假設(shè)有一長為L，半徑為d的鋼絲，在外力F作用下的形變量為ΔL，根據(jù)定義可得鋼絲的楊氏模量為：

(1)

圖1　光杠桿裝置及其測量原理

ΔL≈b·θ,Xi-X0≈D·2θ

兩式聯(lián)立可得：

(2)

光杠桿臂長b和鏡尺距離D是宏觀易測量，由(2)可知，只要測出施加作用力F前、后反射光線的位置坐標(biāo)Xi、X0就可以測得鋼絲的形變量L，從而實現(xiàn)對鋼絲微小形變量的非接觸測量。

由于反射光線的位置坐標(biāo)Xi，X0通過望遠鏡中的尺子確定，這就要求在實驗過程中，平面鏡的反射光線一直在望遠鏡的觀察范圍內(nèi)，且尺子在望遠鏡中成像清晰。然而望遠鏡的觀察視野范圍較小，要保證以上兩點，必須對楊氏模量儀進行精心調(diào)節(jié)。

2快速調(diào)節(jié)十字決

按照楊氏模量儀的調(diào)節(jié)順序，將其調(diào)節(jié)要求簡化為“水平、鉛直、等高、共線、聚焦”十個字，不僅能使學(xué)生簡單明了調(diào)節(jié)目標(biāo)，而且方便記憶。

2.1水平

水平是指調(diào)節(jié)固定托臺2和光杠桿的橫桿水平兩個內(nèi)容。具體操作：

首先，調(diào)節(jié)楊氏模量測量儀底座螺絲，使立柱豎直，確保固定托臺處于水平狀態(tài)，保證作用力F全部加載在鋼絲上。由于儀器制造時有誤差，固定托臺是否水平不以水準(zhǔn)泡居中為準(zhǔn)，而以和鋼絲相連的活動托臺2與固定托臺3的圓柱孔四周均有間隙為準(zhǔn)。

其次，根據(jù)活動托臺2的高度，調(diào)整固定托臺3的高度，盡量使光杠桿的三腳C1、C2、C3位于同一水平面上，保證光杠桿的橫桿與固定托臺3平行。

2.2鉛直

鉛直是指調(diào)整光杠桿的平面反射鏡鉛直。尤其在光杠桿的橫桿沒有調(diào)平時，裸眼觀察平面反射鏡是否鉛直會有較大誤差，影響后續(xù)操作，下面提供一個快速判斷和調(diào)整方案：

站在平面反射鏡正前方，眼與平面反射鏡等高，如能在平面反射鏡中看到人臉中部，則表示平面反射鏡鉛直；如果看到的是人臉下方，則表示平面反射鏡下傾，需向上旋轉(zhuǎn)平面反射鏡；如看到的是人臉上方，則表示平面反射鏡上仰，需向下旋轉(zhuǎn)平面反射鏡，直到能在鏡中看到人臉中部的像為止。

2.3等高

等高是指調(diào)整望遠鏡和平面反射鏡等高。具體做法：

將望遠鏡置于平面反射鏡正前方，且緊鄰平面反射鏡。調(diào)整望遠鏡高度使其與平面反射鏡等高；調(diào)節(jié)望遠鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲，使望遠鏡鏡面與平面反射鏡鏡面平行；而后將鏡尺結(jié)構(gòu)放于平面反射鏡正前方合適距離處。

2.4共線

共線是指調(diào)整望遠鏡上的凹口、準(zhǔn)星和平面反射鏡中標(biāo)尺的像共線。具體做法：

首先，調(diào)整望遠鏡的左右方位，確保能從望遠鏡正上方在平面反射鏡中看到標(biāo)尺的像；其次，調(diào)整標(biāo)尺的高度，使標(biāo)尺的中部成像在平面反射鏡中；最后，細調(diào)望遠鏡的左右位置，確保從望遠鏡正上方觀察時，望遠鏡的凹口、準(zhǔn)星和平面鏡中標(biāo)尺的像共線，且標(biāo)尺像位于平面反射鏡中部。

2.5聚焦

聚焦分兩部分，首先細調(diào)望遠鏡目鏡，使十字叉絲清晰；然后細調(diào)望遠鏡物鏡，使標(biāo)尺像清晰。

3結(jié)論

由實踐總結(jié)出來的十字決，其中“水平、鉛直”四字訣主要強調(diào)的是減小系統(tǒng)誤差；“等高、共線”四字訣解決的是如何快速調(diào)節(jié)成像，同時也兼顧調(diào)節(jié)平面反射鏡與望遠鏡光軸垂直，減小系統(tǒng)誤差；“聚焦”則保證成像清晰無視差。按照文中所述步驟和方法，即使首次接觸本實驗的學(xué)生也可快速調(diào)整好實驗儀器，極大提高實驗效率的同時，也有助于增強學(xué)員的學(xué)習(xí)信心和興趣。

參考文獻：

[1]張志東,等.大學(xué)物理實驗[M].4版，科學(xué)出版社,2011.

[2]蒲天舒,等.大學(xué)物理實驗[M].清華大學(xué)出版社,2011.

[3]方曉懿,等.大學(xué)物理實驗[M].科學(xué)出版社,2011.

[4]王素紅,等.大學(xué)物理實驗[M].國防工業(yè)出版社,2014.

[5]孔維姝.楊氏模量實驗儀器調(diào)節(jié)的一種優(yōu)化方法及實施方案[J].大學(xué)物理,2011,29(11).

[6]李欣.拉伸法測楊氏彈性模量實驗中的正交定量調(diào)節(jié)法[J].遼陽石油化工高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2002,18(1).

[7]李欣.楊氏模量儀的調(diào)節(jié)[J].遼陽石油化工高等專科學(xué)校學(xué)報,1997,13(1).

[8]李玉，程倩.動態(tài)楊氏模量實驗的降噪優(yōu)化設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2014，27(2)：40.

[9]劉艷峰.測量重力加速度的一種新方法[J].大學(xué)物理實驗，2014，27(3)：91-93.

Ten Words Assisting to Rapid Adjustment of Young’s Modulus Experiment

ZHANG Yan,WANG Su-hong

(The PLA Information Engineering University，Henan Zhengzhou 450001)

Abstract：Without any auxiliary facilities and considering to reducing the system error,ten words summed up from experiments provide a feasible strategy to adjust rapidly the experimental apparatus of Young’s modulus.

Key words：Young’s modulus；ten words；rapid adjustment；optical level

中圖分類號：O 4-33

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.017

文章編號：1007-2934(2016)01-0067-03

收稿日期：2015-08-25