在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用電測(cè)法的體會(huì)

鄭艷　羊海林

摘 要 在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電測(cè)法是常用的方法之一，初學(xué)者對(duì)電測(cè)法的原理難以理解。本文以金屬材料彈性模量和泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，介紹了在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中如何生動(dòng)地導(dǎo)入電測(cè)法，從而讓學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)的原理和方法。

關(guān)鍵詞 電測(cè)法 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) 彈性模量 泊松比

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2016.02.055

2011年教育部下達(dá)了實(shí)施“關(guān)于實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的若干意見”的通知，主要目的是針對(duì)當(dāng)前我國工程教育培養(yǎng)過程中，理論教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱、學(xué)生動(dòng)手能力差的現(xiàn)狀；要求改變現(xiàn)有的灌輸式教學(xué)，形成創(chuàng)新教育的氛圍，進(jìn)一步推動(dòng)工程教育教學(xué)改革，提高工程教育的教學(xué)質(zhì)量。①

材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是土木、材料和機(jī)械等工科類專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，是進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)材料力學(xué)的認(rèn)知、鞏固材料力學(xué)的基本概念、樹立嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、增強(qiáng)工程實(shí)踐能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。②近幾年隨著高校學(xué)生人數(shù)的不斷增加，相應(yīng)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備不足、新的儀器設(shè)備購置時(shí)間漫長(zhǎng)等一系列問題的出現(xiàn)，導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)教師往往要投入大量時(shí)間來應(yīng)付，因此嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，從而很難實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，更談不上通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)生的綜合能力。

目前，大多數(shù)高校的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵循這樣的步驟：首先由教師講解本次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、儀器操作流程以及注意事項(xiàng)，隨后向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)過程；然后學(xué)生按照演示的步驟完成實(shí)驗(yàn)過程；最后記錄并整理數(shù)據(jù)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生只是按照教師或教材的指導(dǎo)機(jī)械地完成操作儀器，對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)現(xiàn)象所反映的問題缺乏深入的思考，實(shí)驗(yàn)做完后很多學(xué)生只知其然不知其所以然。尤其是在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中對(duì)金屬材料彈性模量和泊松比測(cè)定需要用到電測(cè)法，然而初學(xué)者對(duì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的電學(xué)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(shí)相結(jié)合。整個(gè)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成以后，由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解不夠透徹，無法提高和加深對(duì)理論知識(shí)的掌握與運(yùn)用。

1 電測(cè)法的基本原理

電阻應(yīng)變測(cè)量簡(jiǎn)稱電測(cè)法，其原理是在被測(cè)物體表面的力學(xué)量、物理量等非電量變化通過傳感元件轉(zhuǎn)換成電量變化的一種實(shí)驗(yàn)方法（如圖1所示）。電測(cè)法作為應(yīng)變測(cè)試方法中的一種在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常用到，根據(jù)電學(xué)原理金屬絲在受到拉伸或壓縮時(shí)，其截面面積會(huì)發(fā)生微小變形從而使電阻發(fā)生變化，通過信號(hào)采集器將電量轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃瘟?。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先將電阻應(yīng)變片，用特殊的膠合劑粘貼在被測(cè)物體上，當(dāng)試件受到載荷作用發(fā)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片中的電阻絲隨之一起變形，導(dǎo)致電阻絲長(zhǎng)度及截面積的改變，從而引起其電阻值的變化?？梢?，電阻的變化與應(yīng)變有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過電阻應(yīng)變儀，就可測(cè)得相應(yīng)的變化。利用胡克定律就可求得應(yīng)力值。③

2 金屬材料彈性模量和泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用電測(cè)法出現(xiàn)的問題

彈性模量和泊松比是反映材料性能的重要參數(shù)，是材料本身固有的兩個(gè)常數(shù)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的兩個(gè)重要物理量，也是設(shè)計(jì)各種工程結(jié)構(gòu)時(shí)選用材料的主要依據(jù)之一，因此對(duì)材料的彈性模量和泊松比這兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量顯得非常重要。④一般構(gòu)件受載，表面上的點(diǎn)處于平面應(yīng)力或平面應(yīng)變狀態(tài)。通常采用拉伸實(shí)驗(yàn)來測(cè)定材料的彈性模量，在材料的彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，即 = ，從而可以得到彈性模量 = /。大多數(shù)的材料在受到拉力作用時(shí)，不但沿著材料的長(zhǎng)度方向發(fā)生變形，同時(shí)橫向發(fā)生短縮的橫向變形。由材料力學(xué)可知，在彈性變形范圍內(nèi)，橫向變形 和縱向變形 成正比關(guān)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(dān)著全校14個(gè)工科專業(yè)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，絕大部分學(xué)生通過材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及材料力學(xué)、工程力學(xué)等專業(yè)理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)彈性模量和泊松比的概念有一個(gè)初步的理解，但是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中為何要用到電測(cè)法，以及如何實(shí)現(xiàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與電測(cè)法相結(jié)合，并不能完全理解，對(duì)如何把力學(xué)的量（應(yīng)力、應(yīng)變）用電學(xué)的方法表達(dá)這個(gè)原理還一知半解，無法很快接受并做到融會(huì)貫通。為了讓學(xué)生盡快地理解并掌握電測(cè)法原理，并與材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)充分地相結(jié)合，筆者在教學(xué)過程中經(jīng)過不斷嘗試，取得了一些教學(xué)體會(huì)。

3 運(yùn)用電測(cè)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的體會(huì)

3.1 從理論到實(shí)驗(yàn)的切入

為了讓學(xué)生對(duì)電測(cè)法這一原理有更清楚、更直觀的認(rèn)識(shí)，筆者在進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)時(shí)，先從所要測(cè)定的材料兩個(gè)基本物理量入手，先引入彈性模量的概念，再結(jié)合學(xué)生已學(xué)的理論知識(shí) = ，得出 = /。以圖2為例， = /， = / 。若能求得應(yīng)力、應(yīng)變，則彈性模量很容易就得出。荷載是在實(shí)驗(yàn)過程中施加的外力，可由壓力傳感器測(cè)得，橫截面面積可以用 = 椎貿(mào)觶渲形約嶠孛嬋磯齲嶠孛婧穸取J約腦た梢圓飭康貿(mào)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(gè)公式無法求得。從而引入了電測(cè)法求解。

3.2 電測(cè)法如何與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

講解電測(cè)法，先從應(yīng)變片的構(gòu)造介紹，當(dāng)粘貼在試件表面的應(yīng)變片跟隨試件一起變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻絲會(huì)因其變形而發(fā)生電阻的變化 / = ·，而值是應(yīng)變片敏感系數(shù)，出廠時(shí)廠家會(huì)標(biāo)定。因此應(yīng)變與電阻的變化率之間存在一個(gè)比例關(guān)系，通過電阻應(yīng)變儀就可以根據(jù)電阻的變化率和靈敏系數(shù)直接把應(yīng)變值采集出來，由于應(yīng)變片與試件緊密粘貼在一起，此時(shí)應(yīng)變片的應(yīng)變就代表應(yīng)變片粘貼部位試件的應(yīng)變值。這樣，學(xué)生就可以明白為何引入電測(cè)法，以及電測(cè)法的工作原理，等他們自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的時(shí)候思路就可以非常清晰，對(duì)數(shù)據(jù)的處理也可以比較準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

筆者在近幾年的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，不斷探索教學(xué)方法，經(jīng)過一些嘗試，發(fā)現(xiàn)在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，首先介紹學(xué)生的理論知識(shí)，讓學(xué)生有一個(gè)回顧，然后再啟發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中如何用理論公式求解相應(yīng)的參數(shù)，再慢慢引入電測(cè)法，讓學(xué)生一步步理解了實(shí)驗(yàn)的原理，后期學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)時(shí)思路比較清晰，處理數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中師生互動(dòng)較好，達(dá)到材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，提高了學(xué)生分析問題、動(dòng)手解決問題的能力。

注釋

① 徐國強(qiáng)，胡玉林.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的探索和實(shí)踐[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2011（4）：36-37.

② 鄭艷，莫時(shí)旭.PBL教學(xué)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2013（11）：139-140.

③ 張烈霞.電測(cè)法測(cè)量彈性模量和泊松比的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012（9）：97-99.

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

⑤ 馬媛媛，朱松松.安吉毛竹主要力學(xué)性能的測(cè)定[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013（4）：22-24.