CN113340742A - 一种杨氏模量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种杨氏模量测量方法，属于物理实验器具技术领域。将所述角度测量器置于所述横杆上，调节所述支撑杆一、支撑杆二的高度，直至角度测量器显示竖直方向角度为零；将所述待测金属丝的两端分别由所述卡紧夹头一、卡紧夹头二卡紧，注意给所述待测金属丝一初始张力，并旋转所述卡紧夹头的螺纹使所述待测金属丝紧绷成水平状态；先不放置所述砝码，将所述角度测量器放置在所述连杆上，调节所述微调升降台，直至所述角度传感器显示竖直方向角度为零；放置重力为G1的所述砝码，记录所述角度测量器的角度θ1，再放置重力为G2(G2>G1)的所述砝码，记录所述角度测量器的角度θ2；然后计算得出杨氏模量值。本发明具有效率高、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于物理实验器具技术领域，涉及一种杨氏模量测量方法。
背景技术
杨氏模量是沿纵向的弹性模量，定义为在胡克定律适用范围内，单轴应力和单轴形变之比。杨氏模量衡量各向同性弹性材料的刚度，描述固体材料抵抗形变能力的物理量，是选定材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。
目前，实验室测量杨氏模量的装置是拉伸法金属丝杨氏模量测量仪。该测量仪采用竖立式结构的测量架，用光杠杆来放大金属丝的微小形变量，再利用望远镜读出标尺的读数，从而测量出金属丝在受到外力作用下的微小伸长量。该测量仪在使用时，操作者需多次调整望远镜对准标尺，以便清晰地看到标尺的刻度，并需反复在望远镜和测量架之间分别操作，实验效率低、高效程度不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种杨氏模量测量方法，本发明所要解决的技术问题是如何快速、精确地测量待测金属的微小伸长量。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种杨氏模量测量方法，其特征在于，测量装置包括支撑杆一、卡紧夹头一、横杆、卡紧夹头二、支撑杆二、微调升降台、角度测量器、连杆、砝码、挂钩和待测金属丝；
所述支撑杆一、横杆和支撑杆二三者相连形成本测量仪的支架；
所述卡紧夹头一和卡紧夹头二分别是螺纹转动设置在所述支撑杆一、支撑杆二上的卡紧件，中部具有所述待测金属丝的插孔，所述待测金属丝能够固定在该插孔内，通过旋转可调制待测金属丝的松紧度；
所述挂钩上端固定在所述待测金属丝的中部，所述挂钩下端可连接所述砝码；
所述微调升降台包括底座，升降板和滚轴，升降板上通过轴承转动连接有一丝杆，丝杆螺纹连接在底座上，底座与升降板之间设置有若干纵向的导向结构，使调节丝杆可微调升降板的纵向高度，所述升降台的纵向高度调节好后保持不变。
所述连杆的一端放置在所述微调升降台的滚轴上，在水平方向可自由滚动，所述连杆的另一端通过转轴连接在所述挂钩的中部，能跟随所述挂钩的下移而下移，从而测量出所述待测金属丝在受所述砝码重力作用时变化的角度。
进一步的，所述待测金属丝下端连接有一载台，所述砝码置于载台上。
进一步的，所述连杆的一端铰接在微调升降台上，所述连杆的一端与微调升降台之间设置有第一电磁吸附结构，所述连杆的另一端与载台之间设置有第二电磁吸附结构，所述第一电磁吸附结构中的通电线圈通电时能够使连杆处于水平状态。
进一步的，所述连杆为中空管状结构，所述连杆靠近载台的一端滑动连接有一滑杆，所述第二电磁吸附结构设置在滑杆与载台之间，所述滑杆上套设有驱使滑杆靠近连杆的拉紧弹簧。
在加入砝码之前，先使第一电磁吸附结构通电，保持连杆处于水平状态，调节微调升降台，使角度测量器正对载台，然后使第一电磁吸附结构断电，使第二电磁吸附结构通电，加入砝码，使砝码的下移能够与连杆的摆动同步，且由于连杆质轻，其对砝码不会造成较大干扰，为了进一步减少这种干扰，可使载台纵向设置导向结构，即套管固定在地面上，载台下端面固定设置一插杆，该插杆插设在套管内，使砝码只能够上下移动，削弱第二电磁吸附结构对砝码的影响。
第一电磁吸附结构和第二电磁吸附结构均为具有通电线圈的电磁块和与之配合的铁块组成，能够在通电时使对应的两个部位相连，即第一电磁吸附结构通电时，可限制连杆的摆动，使连杆处于水平状态，第二电磁吸附结构通电时能够使连杆的端部与载台相连。
需要说明的是：为了减小测量误差，所述连杆的重量应远小于所述砝码的重量，所述角度测量器放置在靠近所述微调升降台的一侧。
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明测量待测金属丝微小伸长量做进一步说明：如图1、图2所示，设所述待测金属丝一半的长度为L0，所述待测金属丝中部O点在重力为G1的砝码作用下下移到O1点，长度变为L1，从水平位置变化的角度为θ1(由所述角度测量器测量)，所述待测金属丝中部O点在重力为G2的砝码作用下，长度变为L2，从水平位置变化的角度为θ2，则所述待测金属丝在重力G1、G2的作用下伸长量变化量(ΔL2-ΔL1)＝L0(1/cosθ2-1/cosθ1)，因此，通过测量所述待测金属丝的角度变化即可方便快捷测量待测金属丝的伸长量。
一种杨氏模量卧式测量实验装置的方法如下：
A、将所述角度测量器置于所述横杆上，调节所述支撑杆一、支撑杆二的高度，直至角度测量器显示竖直方向角度为零；
B、将所述待测金属丝的两端分别由所述卡紧夹头一、卡紧夹头二卡紧，注意给所述待测金属丝一初始张力，并旋转所述卡紧夹头的螺纹使所述待测金属丝紧绷成水平状态；
C、先不放置所述砝码，将所述角度测量器放置在所述连杆上，调节所述微调升降台，直至所述角度传感器显示竖直方向角度为零；
D、放置重力为G1的所述砝码，记录所述角度测量器的角度θ1，再放置重力为G2(G2>G1)的所述砝码，记录所述角度测量器的角度θ2；
E、测量所述砝码的重量G2和G1，所述待测金属丝的半径r，代入公式
即可测量出所述待测金属丝的杨氏模量Y。
与常用竖立式拉伸法杨氏模量测量仪相比，本发明具有以下优点：
(1)将待测金属丝微小伸长量放大为中点在竖直方向的移动量进行测量，提高测量的准确性；
(2)将望远镜、标尺、光杠杆观测系统精简为单一的角度测量，测量时间缩短、测量过程简化；
(3)改变两次砝码的重力以及测量两次变化的角度即可测量出杨氏模量，与挂钩、连杆、角度测量器的重量无关，误差影响因素少。
附图说明
图1是杨氏模量测量实验装置的结构示意图。
图2是测量待测金属丝微小伸长量示意图。
图中，1、支撑杆一；2、卡紧夹头一；3、横杆；4、卡紧夹头二；5、支撑杆二；6、微调升降台；7、角度测量器；8、连杆；9、砝码；10、挂钩；11、载台；12、待测金属丝；13、第一电磁吸附结构；14、第二电磁吸附结构；15、拉紧弹簧。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
包括支撑杆一1、卡紧夹头一2、横杆3、卡紧夹头二4、支撑杆二5、微调升降台6、角度测量器7、连杆8、砝码9、挂钩10和待测金属丝12；
支撑杆一1、横杆3和支撑杆二5三者相连形成本测量仪的支架；
卡紧夹头一2和卡紧夹头二4分别是螺纹转动设置在支撑杆一1、支撑杆二5上的卡紧件，中部具有待测金属丝12的插孔，待测金属丝12能够固定在该插孔内，通过旋转可调制待测金属丝12的松紧度；
挂钩10上端固定在待测金属丝12的中部，挂钩10下端可连接砝码9；
微调升降台6包括底座，升降板和滚轴，升降板上通过轴承转动连接有一丝杆，丝杆螺纹连接在底座上，底座与升降板之间设置有若干纵向的导向结构，使调节丝杆可微调升降板的纵向高度，升降台的纵向高度调节好后保持不变。
连杆8的一端放置在微调升降台6的滚轴上，在水平方向可自由滚动，连杆8的另一端通过转轴连接在挂钩10的中部，能跟随挂钩10的下移而下移，从而测量出待测金属丝12在受砝码9重力作用时变化的角度。
待测金属丝12下端连接有一载台11，砝码9置于载台11上。
连杆8的一端铰接在微调升降台6上，连杆8的一端与微调升降台6之间设置有第一电磁吸附结构13，连杆8的另一端与载台11之间设置有第二电磁吸附结构14，第一电磁吸附结构13中的通电线圈通电时能够使连杆8处于水平状态。
连杆8为中空管状结构，连杆8靠近载台11的一端滑动连接有一滑杆，第二电磁吸附结构14设置在滑杆与载台11之间，滑杆上套设有驱使滑杆靠近连杆8的拉紧弹簧15。
在加入砝码9之前，先使第一电磁吸附结构13通电，保持连杆8处于水平状态，调节微调升降台6，使角度测量器7正对载台11，然后使第一电磁吸附结构13断电，使第二电磁吸附结构14通电，加入砝码9，使砝码9的下移能够与连杆8的摆动同步，且由于连杆8质轻，其对砝码9不会造成较大干扰，为了进一步减少这种干扰，可使载台11纵向设置导向结构，即套管固定在地面上，载台11下端面固定设置一插杆，该插杆插设在套管内，使砝码9只能够上下移动，削弱第二电磁吸附结构14对砝码9的影响。
第一电磁吸附结构13和第二电磁吸附结构14均为具有通电线圈的电磁块和与之配合的铁块组成，能够在通电时使对应的两个部位相连，即第一电磁吸附结构13通电时，可限制连杆8的摆动，使连杆8处于水平状态，第二电磁吸附结构14通电时能够使连杆8的端部与载台11相连。
需要说明的是：为了减小测量误差，连杆8的重量应远小于砝码9的重量，角度测量器7放置在靠近微调升降台6的一侧。
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明测量待测金属丝微小伸长量做进一步说明：如图1、图2所示，设所述待测金属丝一半的长度为L0，所述待测金属丝中部O点在重力为G1的砝码作用下下移到O1点，长度变为L1，从水平位置变化的角度为θ1(由所述角度测量器测量)，所述待测金属丝中部O点在重力为G2的砝码作用下，长度变为L2，从水平位置变化的角度为θ2，则所述待测金属丝在重力G1、G2的作用下伸长量变化量(ΔL2-ΔL1)＝L0(1/cosθ2-1/cosθ1)，因此，通过测量所述待测金属丝的角度变化即可方便快捷测量待测金属丝的伸长量。
测量步骤如下：
A、将角度测量器7置于横杆3上，调节支撑杆一1、支撑杆二5的高度，直至角度测量器7显示竖直方向角度为零；
B、将待测金属丝12的两端分别由卡紧夹头一2、卡紧夹头二4卡紧，注意给待测金属丝12一初始张力，并旋转卡紧夹头的螺纹使待测金属丝12紧绷成水平状态；
C、先不放置砝码9，将角度测量器7放置在连杆8上，调节微调升降台6，直至角度传感器显示竖直方向角度为零；
D、放置重力为G1的砝码9，记录角度测量器7的角度θ1，再放置重力为G2G2>G1的砝码9，记录角度测量器7的角度θ2；
E、测量砝码9的重量G2和G1，待测金属丝12的半径r，代入公式
即可测量出待测金属丝12的杨氏模量Y。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种卧式杨氏模量测量仪方法，其特征在于，包括一测量仪，所述测量仪包括支撑杆一(1)、卡紧夹头一(2)、横杆(3)、卡紧夹头二(4)、支撑杆二(5)、微调升降台(6)、角度测量器(7)、连杆(8)、砝码(9)、挂钩(10)和待测金属丝(12)；
所述支撑杆一(1)、横杆(3)和支撑杆二(5)三者相连形成本测量仪的支架；
所述卡紧夹头一(2)和卡紧夹头二(4)分别是螺纹转动设置在所述支撑杆一(1)、支撑杆二(5)上的卡紧件，中部具有所述待测金属丝(12)的插孔，所述待测金属丝(12)能够固定在该插孔内，通过旋转可调制待测金属丝(12)的松紧度；
所述挂钩(10)上端固定在所述待测金属丝(12)的中部，所述挂钩(10)下端可连接所述砝码(9)；
测量步骤如下：A、将所述角度测量器(7)置于所述横杆(3)上，调节所述支撑杆一(1)、支撑杆二(5)的高度，直至角度测量器(7)显示竖直方向角度为零；
B、将所述待测金属丝(12)的两端分别由所述卡紧夹头一(2)、卡紧夹头二(4)卡紧，注意给所述待测金属丝(12)一初始张力，并旋转所述卡紧夹头的螺纹使所述待测金属丝(12)紧绷成水平状态；
C、先不放置所述砝码(9)，将所述角度测量器(7)放置在所述连杆(8)上，调节所述微调升降台(6)，直至所述角度传感器显示竖直方向角度为零；
D、放置重力为G1的所述砝码(9)，记录所述角度测量器(7)的角度θ1，再放置重力为G2(G2>G1)的所述砝码(9)，记录所述角度测量器(7)的角度θ2；
E、测量所述砝码(9)的重量G2和G1，所述待测金属丝(12)的半径r，代入公式
即可测量出所述待测金属丝(12)的杨氏模量Y。
2.根据权利要求1所述卧式杨氏模量测量方法，其特征在于，所述待测金属丝(12)下端连接有一载台(11)，所述砝码(9)置于载台(11)上。
3.根据权利要求1所述卧式杨氏模量测量方法，其特征在于，所述连杆(8)的一端铰接在微调升降台(6)上，所述连杆(8)的一端与微调升降台(6)之间设置有第一电磁吸附结构(13)，所述连杆(8)的另一端与载台(11)之间设置有第二电磁吸附结构(14)，所述第一电磁吸附结构(13)中的通电线圈通电时能够使连杆(8)处于水平状态。
4.根据权利要求1所述卧式杨氏模量测量方法，其特征在于，所述连杆(8)为中空管状结构，所述连杆(8)靠近载台(11)的一端滑动连接有一滑杆，所述第二电磁吸附结构(14)设置在滑杆与载台(11)之间，所述滑杆上套设有驱使滑杆靠近连杆(8)的拉紧弹簧(15)。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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