CN113587789A - 一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及实验装置技术领域，具体为一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，包括底座，所述底座上固定设置有平行连杆，所述平行连杆的远离所述底座的一端固定设置有顶板，所述顶板的靠近所述底座的一侧表面上悬挂有金属丝，所述金属丝的靠近所述底座的一端连接有托盘，所述托盘上放置有槽码，所述托盘的靠近所述底座的一侧连接有粗细均匀的实心圆柱体，所述平行连杆上设置有一个平台，本发明的结构操作简单，使用方便，廉价且不易损坏，极易拆卸和组装，使用时读数稳定且精准，大大降低了现有装置因结构上的缺陷而导致的读数误差。

Description

一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置
技术领域
本发明涉及实验装置技术领域，具体涉及一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置。
背景技术
设粗细均匀的金属丝的原长为L，横截面积为S，沿长度方向施力F后，其长度改变ΔL，则金属丝单位面积上受到的垂直作用力
Figure BDA0003176666460000011
称为正应力，金属丝的相对伸长量
Figure BDA0003176666460000012
称为线应变。实验结果指出，在弹性范围内，由胡克定律可知物体的正应力与线应变成正比，即
Figure BDA0003176666460000013
比例系数Y为杨氏弹性模量，简称杨氏模量。在它表征材料本身的性质，Y越大的材料，要使它发生一定的相对形变所需要的单位横截面积上的作用力也越大。Y的国际单位制单位为帕斯卡，记为Pa(1Pa＝1N/m2)。
而△L是一个微小长度变化(在此实验中，当L≈1m时，F每变化1kg相应的△L约为0.3mm)。因此，本实验利用光杠杆的光学放大作用实现对钢丝微小伸长量△L的间接测量。
但是在实际测量的过程中，由于金属丝和金属丝下面的槽码很难保持平稳，会导致投影的光标上下左右飘忽不定，难以做到精确读数，产生实验误差。因此需要一种能更精确，更有效，更稳定的测量金属丝伸长量的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，包括包括底座，所述底座上固定设置有平行连杆，所述平行连杆远离所述底座的一端固定设置有顶板，所述顶板的靠近所述底座的一侧表面上悬挂有金属丝，所述金属丝靠近所述底座的一端连接有托盘，所述托盘上放置有槽码，所述托盘靠近所述底座的一侧连接有实心圆柱体，所述平行连杆上设置有一个平台，所述平台上放置有量筒。
可优选的，所述量筒的内部装有清水。
可优选的，所述量筒的内径为100mm；所述量筒的内径大于所述实心圆柱体的外径。
可优选的，所述实心圆柱体上半端可以与所述托盘衔接固定
可优选的，所述实心圆柱体插入所述量筒中并与盛有的所述清水相接触，用于通过所述清水上升的高度计算出所述实心圆柱体下降的距离。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果如下：
1.本组合装置实验器材相较于现有装置使用简单，廉价，并且不易损坏。
2.本组合装置操作简单，使用方便，易上手，极易拆卸和组装，
3.本组合装置读数精确稳定，即使金属丝和槽码有轻微晃动，对读数也不会较大影响。
4.本组合装置原理简单，上手实操通俗易懂具有较高的精确性。
附图说明
图1为本发明一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置的结构示意图；
图2为本发明的工作原理图。
附图标记：1、量筒，2、实心圆柱体，3、水，4、托盘，5、槽码，6、金属丝，7、平行连杆，8、顶板，9、底座，D1、量筒内壁直径，D2，实心圆柱体直径，x、实心圆柱体向下移动的距离，l、水面上升距离。
具体实施方式
为使本组合装置测量方法、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。在下面的描述中，提供诸如具体的装置和组件的特征细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。
应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-2所示，一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，包括底座9，所述底座9上固定设置有平行连杆7，所述平行连杆7的远离所述底座9的一端固定设置有顶板8，所述顶板8的靠近所述底座9的一侧表面上悬挂有金属丝6，所述金属丝6的靠近所述底座9的一端连接有托盘4，所述托盘4上放置有槽码5，所述托盘4的靠近所述底座9的一侧连接有粗细均匀的实心圆柱体2，所述平行连杆7上设置有一个平台，所述平台上放置有量筒1。
可优选的，所述量筒1的内部装有清水3。
可优选的，所述量筒1的内径为100mm，所述量筒1的内径大于所述实心圆柱体2的外径。
可优选的，所述实心圆柱体2上半端可以与所述托盘4衔接固定。
可优选的，所述实心圆柱体2插入所述量筒1中并与盛有的所述清水3相接触，用于通过所述清水3上升的高度计算出所述实心圆柱体2下降的距离。
具体地，设装置量筒1的内壁直径为D1，内盛有适量的密度为ρ的清水3，足够长的粗细均匀实心圆柱体2的直径为D2(D1>D2且D1≈D2)，将实心圆柱体2固定或悬挂在与金属丝5相连的托盘4的底部，将实心圆柱体2插入量筒1，使量筒1里的清水3能完全没过实心圆柱体2的底面，固定好量筒1的位置，在托盘4上添加槽码5，金属丝6会向下拉伸x，实心圆柱体2向下移动x，水面会上升l，如附图1，有
Figure BDA0003176666460000031
即
Figure BDA0003176666460000032
通过公式(2)可以看出，可以通过测量水面上升高度l来间接测量金属丝5向下拉伸长度x。如果令
Figure BDA0003176666460000033
可以称k为放大倍数，
有
Figure BDA0003176666460000041
Figure BDA0003176666460000042
如果取实心圆柱体2的直径D2＝100mm，可得D1-D2与k之间的关系如下表：
k 10 15 20 30 40 50
D<sub>1</sub>-D<sub>2</sub>(单位:mm) 4.881 3.280 2.470 1.653 1.242 0.995
可见，放大倍数越高，则D1与D2之间相差越小，而且测量精度要求也更高，这是不易实现的，但是可以通过增大实心圆柱体2的直径D2，使在螺旋测微计可测精度范围内增大放大倍数k，以减小实验误差。
另一方面，如果采用传统的添加槽码5产生正压力F＝mg的方法，则还应考虑量筒1里的清水3对实心圆柱体2产生的浮力
Figure BDA0003176666460000043
的影响，公式(1)就变成
Figure BDA0003176666460000044
将金属丝6的横截面积
Figure BDA0003176666460000045
带入公式(2)得杨氏模量
Figure BDA0003176666460000046
其中，上面式子中的x可结合逐差法取平均值替代，以减小实验误差。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前叙述实施对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，包括底座(9)，所述底座(9)上固定设置有平行连杆(7)，所述平行连杆(7)远离所述底座(9)的一端固定设置有顶板(8)，所述顶板(8)的靠近所述底座(9)的一侧表面上悬挂有金属丝(6)，所述金属丝(6)靠近所述底座(9)的一端连接有托盘(4)，所述托盘(4)上放置有槽码(5)，所述托盘(4)靠近所述底座(9)的一侧连接有实心圆柱体(2)，所述平行连杆(7)上设置有一个平台，所述平台上放置有量筒(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于：所述量筒(1)的内部装有清水(3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于：所述量筒(1)的内径为100mm；所述量筒(1)的内径大于所述实心圆柱体(2)的外径。
4.根据权利要求1所述的一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于：所述实心圆柱体(2)上半端可以与所述托盘(4)衔接固定。
5.根据权利要求1所述的一种基于排水法测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于：所述实心圆柱体(2)插入所述量筒(1)中并与盛有的所述清水(3)相接触，用于通过所述清水(3)上升的高度计算出所述实心圆柱体(2)下降的距离。
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