吉晓瑞

摘要：提出一套杨氏模量实验的简洁有效操作方法——快速调节法，观测者可以在2分钟甚至更短的时间内在望远镜中观察到标尺的像.

关键词：杨氏模量;调节方法;误差

[中图分类号]O4-33[文献标志码]A

Fast Adjusting Method of Young's Modulus

Experimental Instrument

JI Xiaorui

（Department of Basic Teaching，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China）

Abstract：A simple and effective method for measuring young's Modulus of steel wire by tension method is induced——quick adjustment method.The image of the ruler can be seen in the telescope in 2 minutes or less.

Key words：Young's Modulus;adjusting method;error

力作用于物体所引起的效果之一是使受力物体发生形变，物体的形变可分为弹性形变和塑性形变.杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要的物理量，实验测定钢丝杨氏模量的方法很多，如静态拉伸法、动态共振法、梁弯曲法、超声波测量法[1]、纳米压入法[2]、光纤传感法[3]以及光栅尺法[4]等.光杠杆法属于静态拉伸法，可以实现非接触式的放大测量，且直观、简便、精度高，高校多采用此法进行教学.笔者提出杨氏模量实验简洁有效的操作方法——快速调节法，把操作重点放在确保标尺、平面镜和望远镜的光路在同一个水平面内，观测者可以在2分钟之内观察到标尺的像.

1杨氏模量实验快速调节法

图1为实验用到的各种元件，光杠杆的放置方法如右上图所示.1为钢丝，2为光杠杆，3为平台，4为活动夹头，5为砝码，6为支架底脚，7为标尺 ，8为尺读望远镜.实验的光路图为标尺7所发出的光线经光杠杆2上的平面镜反射进入到尺读望远镜8中，这样观测者就可以读出每增减一个砝码后标尺的读数变化.

1.1传统调节方法

步骤一调节支架和望远镜的相对位置.望远镜是观察稍远距离物體的光学器件，所以支架至少要距离望远镜1.5 m远.

步骤二调节底脚水平.旋转3个底脚调节螺丝，将平台3上水平仪中的气泡调节到中央小圆圈内.

步骤三放置光杠杆.将光杠杆前方两个尖足放在平台最外面的沟槽内，后面一个尖脚放在圆柱夹具上面，调整平面镜垂直地面.调节望远镜的水平，调节望远镜目镜下方附近的调节螺丝，使望远镜姿态水平，以便于后续在水平方向上的微调.这里只需要固定好望远镜的竖直位置，即拧紧竖直固定螺丝，而水平方向不必固定.

步骤四调节望远镜高度.将望远镜移近光杠杆，调节望远镜的高度，使望远镜的镜筒正好与平面镜高度相同，移回望远镜.

步骤五调节标尺的高度.将标尺中间的零刻线大致放置在望远镜的物镜中央高度附近，目的是保证读数时标尺够测量长度.

步骤六仔细调节光杠杆平面镜与望远镜物镜正对，这一步骤是直接影响到能否快速看到标尺的像的关键.如果平面镜与物镜不能正对，也就是平面镜的反射光线与望远镜不在同一个平面内，望远镜接收不到标尺的反射光线，观察者就看不到标尺的像了，导致实验失败.

步骤七形成等腰三角形反射光路，从目镜中观察标尺的像.实验中的光路其实是以标尺、平面镜和望远镜为三个点的等腰三角形，当完成第六步后，将望远镜支架稍稍向右移动一点，略过望远镜用眼睛直接观察平面镜，此时，就可以看到平面镜已经能够很好地反射标尺的像了，如图2a所示，稍稍旋转望远镜对准平面镜，调节一下望远镜的焦距，就可以在望远镜中观察到清晰的标尺的像，如图2b所示.

1.2快速调节法

杨氏模量实验快速调节法的重要调节操作放在确保标尺、平面镜和望远镜的光路在同一个水平面内，观测者可以在2分钟之内观察到标尺的像.

先将望远镜垂直正对平面镜，紧贴镜筒上方直接观察平面镜里物镜的像.调节平面镜的竖直角度和左右角度，调节到平面镜反射出完整的物镜的像.图3为此步骤微调过程中的一些情况，图3a为平面镜仰角过大，图3b为平面镜俯角过大，图3c为支架和平面镜左偏，图3d为支架和平面镜右偏.平面镜上下不对正，可以轻轻的微调平面镜的仰角;左右不对正，就要轻轻的旋转支架.图3e为平面镜完全反射物镜的像的理想情况.

2杨氏模量实验容易产生误差的原因

支架不竖直支架不竖直会引起平台3中的圆柱夹具向下移动时摩擦力增大.平台有水平仪，调节好三个底脚，支架就竖直了.三个尖足上翘，旋转时会引起一定的误差.

螺旋测微器读数误差螺旋测微器的读数误差，分为零点偏差正负错误和测量读数误差，正负号搞混易造成实验错误，应采取在钢丝的上中下位置多次测量，减小实验误差.测量读数误差一般都很小，观测者读数时，螺旋测微器离开钢丝进行读数，移动时可能产生误差.读数视线角度不好和钢丝形状问题，也会造成读数误差.

光杠杆长度选择光杠杆的放大倍数越大，读数越准确，光杠杆长度引起的误差越小.要根据镜尺距离和标尺的量程选择光杠杆的长度，让光杠杆的长度最大.

钢丝原长的测量固定好支架顶端的钢丝卡夹，确保在整个实验过程中卡夹不松动，钢丝不滑动.测量钢丝原长的时候，挂上一个砝码，把钢丝拉直一些，减少实验误差.

镜尺距离的选择镜尺距离D>1.5 m即可满足实验要求.因为实验室空间有限，没必要将平面镜和标尺摆放的太远，只要拉直米尺认真读数，此处误差很小.

加减砝码操作这个步骤最容易引起误差，是产生最大读数误差的环节.一是加减砝码的时间间隔，加减砝码的时间间隔5秒最佳.钢丝是钢性材质，不可能像弹簧或者橡皮筋那样快速的伸长和缩短，增加1个砝码后，钢丝在多长时间伸长恰到好处呢？减少1个砝码钢丝的收缩情况和增加1个砝码的伸长情况相同吗？钢丝是伸长难，缩短更难，因为有残余应力和疲劳程度等问题[5]，增加一个砝码的伸长量要大于减少一个砝码的缩短量，所以在实验结束时的标尺读数要大于开始时的读数，即钢丝最后并没有恢复到原长.实验中，要求加减砝码的时间间隔要尽量一致，时间间隔不一致，差值就更明显.二是读数.挂砝码时左右扶住砝码以稳定托盘，保持目镜中标尺的像稳定，选择标尺上下摆动的中间位置读数.加砝码时要注意方向，尽量保持上下质量分布均匀，避免所有砝码槽都在同一方向.

数据处理如果镜尺距离、光杠杆长度和钢丝原长只进行了单次测量，将其结果看成其平均值，也会引起结果误差.

3总结

提出杨氏模量实验快速调节法，把操作重點放在确保标尺、平面镜和望远镜的光路在同一个水平面内，观测者可以在2分钟之内观察到标尺的像.本科教学中应多开设器材元件多的实验，在元件的组装和调节过程中锻炼学生的动手能力和创新能力.[6-7]

参考文献

[1]段阳.杨氏弹性模量测量实验综述 [J].物理与工程，2020（3）：89-102.

[2]尤力，宋西平，林志，等.金属丝弹性模量的测量方法研究 [J].稀有金属材料与工程，2007，36（10）：1776-1779.

[3]薛思敏，史明哲.利用反射式光纤位移传感器测量钢丝的杨氏模量 [J].大学物理实验，2020，33（2）：22-24.

[4]王才林，邵明珠，张欢，等. 立足思维培养基于“问题导向”理念的实验教学新尝试—以测量钢丝杨氏模量实验为例 [J].物理与工程，2021，31（4）：64-68.

[5]陈卫民，缑庆林.对钢丝绳结构伸长及预张拉的认识 [J].金属制品，2011，37（3）：1-3.

[6]迟建敏.物理教学中创新能力的培养 [J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2007（2）：58-59.

[7]李科敏.物理实验改革与物理师范生综合素质的提升 [J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2011（4）：64-65.

编辑：吴楠