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物理学专业大学物理实验报告(力学方向)

实验项目:拉伸法测金属丝杨氏模量

姓名:XXX

学号:XXX

专业班级:物理学XXX班

实验日期:2025年X月X日

实验地点:物理实验中心力学实验室

指导教师:XXX

实验成绩:XXX

一、实验摘要

本实验采用拉伸法结合光杠杆放大原理,测量钢丝的杨氏模量。通过WDY-1型杨氏模量测定仪、螺旋测微计、游标卡尺等仪器,获取金属丝受力后的微小形变数据,经逐差法与不确定度评定处理,得到钢丝杨氏模量值为(1.82±0.05)×1011Pa,与理论值(1.90×1011Pa)的相对误差为4.2%。实验过程中系统分析了光杠杆调节误差、力传感器精度等影响因素,提出基于数字化位移传感器的改进方案,并结合结构超滑界面力学研究前沿,探讨了弹性模量测量在新材料表征中的应用价值。全文系统呈现实验设计、数据处理与创新思考,为力学性能测量提供规范实践范例。

二、实验目的

掌握拉伸法测量杨氏模量的基本原理,理解弹性形变与胡克定律的适用条件;

熟练操作杨氏模量测定仪、光杠杆、螺旋测微计等仪器,掌握微小长度变化的放大测量技术;

学习逐差法、图像法等数据处理方法,掌握测量不确定度的评定流程(含A类与B类分量计算);

分析实验误差来源,提出减小系统误差与随机误差的改进措施;

结合工程实践与前沿研究,理解杨氏模量测量在材料力学性能表征中的应用。

三、实验原理

(一)杨氏模量的物理意义

杨氏模量(YoungsModulus)是表征固体材料弹性形变难易程度的物理量,定义为材料在弹性限度内,正应力与正应变的比值,是材料的固有属性,与材料的形状、尺寸无关。其数学表达式为:

E=\frac{\text{正应力}}{\text{正应变}}=\frac{F/S}{\DeltaL/L}=\frac{FL}{S\DeltaL}

式中:

F为金属丝所受轴向拉力(N);

L为金属丝原长(m);

S为金属丝横截面积(m2),S=\pid2/4,d为金属丝直径(m);

\DeltaL为金属丝受力后的伸长量(m)。

(二)光杠杆放大原理

金属丝的伸长量\DeltaL极小(通常在10??~10?3m量级),直接测量难度大。本实验采用光杠杆放大法,将微小长度变化转换为可精确测量的角度变化。光杠杆结构如图1所示,其工作原理如下:

光杠杆平面镜M距标尺R的水平距离为D,平面镜法线与标尺平行;

当金属丝伸长\DeltaL时,光杠杆后足尖下降\DeltaL,平面镜绕前两足尖连线转动\theta角,根据几何关系:\tan\theta\approx\theta=\DeltaL/b(b为光杠杆常数,即后足尖到前两足尖连线的垂直距离);

入射光与反射光的夹角为2\theta,标尺上的光斑移动距离为\Deltan,则\tan2\theta\approx2\theta=\Deltan/D;

联立得微小伸长量:\DeltaL=\frac{b\Deltan}{2D}。

将\DeltaL代入杨氏模量公式,最终表达式为:

E=\frac{8FLD}{\pid2b\Deltan}

(三)不确定度评定理论

根据《力学性能测量不确定度评定规范》,杨氏模量E为间接测量量,其合成标准不确定度由各直接测量量的不确定度分量合成。各直接测量量包括:拉力F、金属丝原长L、光杠杆常数b、标尺距离D、金属丝直径d、光斑移动距离\Deltan。

A类不确定度:由多次测量的统计分散性引起,通过贝塞尔公式计算:u_A=\sqrt{\frac{1}{n-1}\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})2};

B类不确定度:由仪器精度、环境影响等引起,根据仪器最大允许误差(MPE)估算,通常取均匀分布:u_B=\frac{\Delta_{\text{仪}}}{\sqrt{3}};

合成标准不确定度:u_c(E)=E\cdot\sqrt{(\frac{u(F)}{F})2+(\frac{u(L)}{L})2+(\frac{u(D)}{D})2+(\frac{u(b)}{b})2+2(\frac{u(d)}{d})2+(\frac{u(\Deltan)}{\Deltan})2};

扩展不确定度:取置信概率P=95\%,包含因子k=2,则U=k\cdotu_c(E)。

四、实验仪器与试剂

(一)主要仪器及参数

仪器名称

型号规格

精度/最大允许误差

用途

杨氏模量测定仪

WDY-1型

——

提供拉伸力,固定光杠杆与金属丝

螺旋测微计

0-25mm

±0.004mm

测量金属丝直径d

游标卡尺

0-150mm

±

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