物理竞赛杨氏模量实验技巧和有关问题,该文是物理竞赛类硕士论文开题报告范文与物理竞赛和模量和杨氏有关研究生毕业论文范文.
物理竞赛论文参考文献：
【摘 要】 本文以高中物理竞赛参赛者角度分析了杨氏模量概念、实验装置调节和实验技巧,并通过两种实验数据处理方法阐述了实验机理,为后续参赛者提供借鉴.
【关键字】 物理竞赛 杨氏模量 钢丝 实验技巧
一、引言
杨氏模量在工程上用来表征固体材料抵抗形变能力的一个常用物理量,有时也称拉伸模量,是弹性模量中最为常用的一种.测量固体材料的杨氏模量是很多工程领域的一项重要核心工作,也是大学理工科大学物理的重要实验之一[1][2].但本文主要结合作者参加全国物理竞赛时,在南京大学物理实验室集训过程中所做得钢丝杨氏模量测量实验的一些亲身经历,阐述其实验原理与过程,以及实验过程中遇到的一些问题和收获,供后续高中生参加物理竞赛集训时开展杨氏模量实验时学习参考.
二、材料杨氏模量的测量原理
测量材料杨氏模量的实验方法很多,传统的有拉伸法、光光杠杆法、共振法、干涉条纹法等,以及一些先进的测量方法如电学法、光学法等,各种方法都有其适用的条件,需要结合实际情况选择适合的测量方法.
2.1 杨氏模量的定义
杨氏模量是指在材料弹性限度范围之内,材料的应力与应变的比值.当长度为L、横截面积为S 的材料在外力F 的作用下伸长△ L 时,我们定义F/S 为材料的应力,其物理意义是材料单位面积所受的力,定义△ L/L 为材料的应变,其物理意义是材料单位长度所对应的伸长量.因此就有杨氏模量Y 的定义式[2],如式（1）所示.
为了测材料的杨氏模量,由式（1）可知,实验时需要测量长度L,面积S,和在力F 的作用下的△ L.下面将结合作者在参加全国高中生物理竞赛时在南京大学物理实验室用拉伸法测量钢丝杨氏模量实验的认识和收货,以及实验后对相关文献资料的查阅总结,描述拉伸法测量原理与过程.
2.2 拉升法测杨氏模量原理介绍
从2.1 节可知,材料的F、S、L 根据高中物理知识完全可以测量,实验最关键的是如何测量材料的△ L,其测量原理图如图1 所示.
实验时, 角度Φ 通常都很小, 根据数理知识有Φ等于tanΦ等于 △ L/K,同时也有2Φ等于tan2Φ等于l/D,所以通过式子变换,结合实验装置实际参数,最终通过读取l 来获得相应的伸长量△ L,来计算材料的杨氏模量,最终计算式如式（2）所示[3].
三、拉伸法测杨氏模量实验分析
在测量钢丝杨氏模量之前,首先需要掌握实验装置各个部件的功能,其基本结构功能如图2 所示.
3.1 实验装置的调节技巧
实验装置调节的好坏直接影响实验结果的可靠性,调节不好甚至导致实验结果不符合实际物理规律,因此,实验装置的调节是整个实验的基础.下面针对物理竞赛中常考察的拉升法测杨氏模量实验,结合作者竞赛集训时在南京大学物理实验室多次对实验装置的调节总结和实验测量经验,对调节实验装置技巧进行总结见表1 所示,在对实验装置调节以前一定要掌握本文第2 部分所述的实验原理,以便理解每一步调节的目的.
3.2 钢丝杨氏模量的实验测量技巧
在经过3.1 的实验装置调节够,已经基本具备实验条件,但在真正开展实验及相关数据测量时,仍然需要确认以下三个问题：
1）通过观测水平尺,确保中间平台处于水平状态；
2）调节光杠杆位置,确保光杠杆镜镜面基本垂直；
3）综合调节望远镜,确保标尺刻度读数足够清晰.
在确认上述三个问题后,方可开始实验测量数据,注意此时不能晃动桌面,否则实验装置得重新调整.
3.2.1 钢丝直径（d）的测量
选用测量仪器：螺旋测微器,精度0.01mm.竞赛训练时对钢丝直径（d）测量了五组数据,详细数据记录及处理如表2 所示.
本实验如果按照大学物理实验要求,还需要结合螺旋测微器及测量数据计算直径测量的不确定度,但在物理竞赛实验时暂时没有做要求,但本文仍给出对应计算式子,供后续参赛者参考,后续物理量的测量数据做类似计算处理.
3.2.2 光杠杆臂长（K）的测量
选用测量仪器：游标卡尺,精度0.02mm.竞赛训练时对光杠杆臂长（K）测了五组数据,详细数据记录及处理如表3 所示.
3.2.3 标尺到镜面距离（D）的测量
选用测量仪器：钢皮尺,精度1mm.竞赛训练时对标尺到镜面距离（D）测了五组数据,详细数据记录及处理如表4 所示.
3.2.3 钢丝长度（L）的测量
选用测量仪器：米尺,精度1mm.竞赛训练时对钢丝长度（L）测了五组数据,详细数据记录及处理如表5 所示.
3.2.4 增减砝码重量钢丝伸缩量（l）的测量
选用测量仪器：图1 所示实验台,精度1mm.竞赛训练时,在初始时刻加了2Kg 砝码与钢丝,确保刚才自然垂直状态,然后依次增加1Kg 增加砝码,记录钢丝长度数据,待增加了6Kg 时,依次减少1Kg 砝码记录钢丝实际长度,最后测得钢丝伸缩量（l）测了六组数据,并计算对应净伸长量和平均伸长量,最后分别采用逐差法和累加法计算对应生产量,详细数据记录及处理如表6 所示.
四、实验数据处理技巧及问题探讨
在实验数据测量结束后,需要按照一定的数据处理方法对数据处理,得到计算钢丝杨氏模量的直接数据,其采用的实验方法和数据处理方法的最终目标是提高数据的真实可靠性,进而提高实验结果的准确性.
4.1 钢丝杨氏模量最终数据处理技巧
由3.2.1-3.2.5 节所测数据,如果根据定义式（2）所示,其计算过程如下：
在实际数据处理时,建议参加竞赛的同学可以尝试使用上述两种方法进行处理与计算,查找最终结果计算不一致的原因.
4.2 钢丝杨氏模量伸长量测量机理探讨
在3.2.5 中通过增减砝码重量钢丝伸缩量（l）的测量,主要是考虑到钢丝在受力作用下存在一种弹性滞后效应,这是每种材料都具有的一种固有特性,即钢丝受到力的作用下,并不会立即伸长到其期望长度,往往会小于期望长度,假设小于期望长度为,相反,当钢丝失去外力作用下,也并不会立即能缩短到期望长度,往往又会长于期望长度,假设大于期望长度为,那通过计算同意外力作用下的两个相反过程生产量的平均值,可以大大减少由于钢丝本身固有的弹性滞后效应所引起的误差.
4.3 影响钢丝杨氏模量测量误差的其它因素探讨
实验时都需要开始加一个预应力,其实根据钢丝的实验次数,所需要的预应力应该是不同的,所以一个合适的预应力显得非常重要,预应力过小难以保证钢丝处于竖直位置避免钢丝弯曲现象,过大有可能造成后续增加砝码时超出钢丝弹性限度而造成数据不准确,也正是由于这样的原因,一个钢丝测量的次数越多,其杨氏模量的值理论上来说应该越来越小.除钢丝固有特性外,还有一些不良的实验操作规范,甚至环境湿度温度也都会影响最终实验结果[5].
五、结论
本文结合物理竞赛时参加钢丝杨氏模量实验,针对性地分析了材料杨氏模量概念,并通过图形原理剖析了实验装置的调节技巧,并按照顺序阐述了实验技巧,最后通过分析实验机理分析了两种计算方法以及对影响钢丝杨氏模量的问题进行了探讨分析,为后续参赛者及其他实验者提供参考.
参 考 文 献
[1] 胡小鹏,高文莉,万春华.《大学物理实验（理科）》（第一册）. 南京大学出版社,2012.8（2017.7 重印）.
[2] 唐海燕.《大学物理实验》[M]. 北京: 高等教育出版社,2010 : 120-125.
[3] 汪雨寒. 杨氏模量与温度关系的实验研究[J]. 重庆科技学院学报（自然科学版）,2014, 第16 卷1 期.
[4] 林登清, 王新春等. 测定钢丝杨氏模量的实验方案研究. 物理通报, 物理实验教学, 第2 期.
[5] 许红霞. 拉伸法测金属钢丝杨氏弹性模量优缺点探究. 科技教育,2017, 第2 期.
[6] 赵艳艳. 不同量的测量误差对杨氏模量结果的影响程度分析. 高校实验室工作研究,2013, 第3 期.
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