实验二、杨氏模量的静态法测量

材料受力后发生形变。在弹性限度内，材料的胁强与胁变（即相对形变）之比为一常数，叫弹性模量。条形物体（如钢丝）沿纵向的弹性模量叫杨氏模量。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，是科学实验和工程设计时选择材料的重要依据之一。

实验目的

1. 掌握用机械放大和光学放大方法来测量微小量的原理和方法；

2. 掌握用逐差法处理数据的方法；

3. 掌握有效数字的读取、运算以及不确定度计算的一般方法。

实验仪器

YMC—l型杨氏模量测定仪（包括光杠杆、镜尺装置一套如图）、量程为3m或5m钢卷尺、0-25mm一级千分尺、分度值0.02mm游标卡尺、水准仪各l把、lkg的砝码若干。

1.标尺；2.锁紧手轮；3.俯仰手轮；4.调焦手轮；5.目镜；6.内调焦望远镜； 7.准星；8.钢丝上夹头；9.钢丝；10.光杠杆；11.工作平台；12.下夹头；13.砝码；14.砝码盘；15.三角座；16.调整螺丝.

实验原理

测量杨氏模量的方法大体上有拉伸法、梁的弯曲法、振动法、内耗法等等，本实验采用拉伸法测杨氏模量。实验中涉及较多长度的测量，根据不同测量对象选择不同测量仪器。

设一长度为L横截面积为S粗细均匀的金属丝 。若沿长度方向受到外力F的作用后，其形变为ΔL。比值是金属丝单位面积上受到的作用力，称为应力；比值是金属丝的相对伸长量，称为应变。根据胡克定律，金属丝在弹性限度内它的应力与应变成正比，即

                      （１）

比例系数E仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关，称其为金属丝的杨氏模量，单位为N·m^-2,在数值上等于单位应变的应力，可表示为：

                                              （２）

由（２）式可知，对E的测量实际上就是对F、L、S、ΔL的测量。其中F、L和S都容易测量，唯有钢丝的伸长量ΔL很小，实验测定E的核心问题是如何测量ΔL ，对于这样一个随着砝码增加而增加的微小伸长量,如何相继进行非接触式测量,又如何提高测量的准确度是本实验的关键所在。

本实验采用光杠杆的光学放大作用实现对钢丝微小伸长量ΔL的间接测量。光杠杆是用光学转换放大的方法来实现微小长度变化的一种装置。它包括杠杆架和反射镜。杠杆架下面有三个支脚，测量时两个前脚放在杨氏模量测定仪的工作平台上，一个后脚放在与钢丝下夹头相连的活动平台上，随着钢丝的伸长（或缩短），活动平台向下（或向上）移动，带动杠杆架以两个前脚的 连线为轴转动。

 

设开始时，光杠杆的平面镜竖直，即镜面法线在水平位置，在望远镜中恰能看到标尺刻度S₀。当待测细钢丝受力作用而伸长△L时，光杠杆的后脚尖下降△L ，光杠杆平面镜转过一较小角度θ，法线也转过同一角度θ。反射线转过2θ，此时在望远镜中恰能看到标尺刻度S₁（为标尺某一刻度）。

由图可知                                                  （3）

式中，为光杠杆常数（光杠杆后脚尖至前脚尖连线的垂直距离）；为光杠杆镜面至标尺的距离。

由于ΔL＜＜， ＜＜ ，偏转角度很小，所以近似地有：

       

      亦：

所以：                                      （4）

其中为放大倍数，为保证大的放大倍数，实验时应有较大的（一般为2m）和较小的（一般为0.08m左右）。将砝码拉力        、钢丝横截面积(D是钢丝直径)及（4）代入（2）式 得到测量杨氏模量的计算公式：

                                    （5）

将待测钢丝直径D和原长L、光杠杆镜面至标尺的距离d₁、光杠杆常数d₂、砝码拉力以及对应的△s测出，便可计算出钢丝的杨氏模量E。

实验内容

1． 调节仪器

（1）将杨氏模量测定仪工作平台的螺丝松开，上下调整工作平台的位置，使其上表面高度与放置在实验桌上的望远镜镜筒下端高度相当，然后将工作平台的螺丝拧紧；

（2）将夹持钢丝下端的夹头松开，让小金属圆柱体的上表面略高于工作平台上表面；

（3）调节支架底脚螺丝，将底座平台调至水平,使两支柱铅直(钢丝铅直), 并使小金属圆柱体能在平台小孔中无摩擦地自由活动；

（4）在砝码托盘上先挂若干个1kg砝码（本底砝码），使金属丝拉直；

（5）调节光杠杆。使两前脚尖放在平台的沟槽中，后脚尖能放在小金属圆柱体的上表面(不得与钢丝相碰，不得放在夹子和平台之间的夹缝中，以使后脚尖能随下夹头一起升降，准确地反映出钢丝的伸缩)，然后用眼睛估计，使小平面镜镜面与平台大致垂直；

（6）将望远镜移近光杠杆镜面，调整高度，使两者等高。最后移动望远镜支架，使望远镜离反射镜镜面1-2米（尽量接近2米），使光杠杆镜面法线与望远镜轴线大体重合；

（7）从望远镜上方准星缺口方向观察光杠杆平面镜中是否有标尺的像，若没有，则左右移动望远镜支架，直到标尺像出现在平面镜中。微调光杠杆镜面，使标尺零刻度线成像在反射镜中央；

（8）转动目镜，观察目镜的十字叉丝情况，直到叉丝清晰成像。然后调节调焦手轮，使从望远镜中看到的标尺成像清晰。注意反复调节，当晃动眼睛时十字叉丝线与标尺刻度线之间无相对移动后，即可认为消除了视差；

（9）微调光杠杆镜面的倾角和望远镜目镜下的升降螺丝，使从望远镜中观察到的标尺零刻度与目镜十字叉丝的横线重合；

2．测量

（1）用千分尺在钢丝上、中、下位置各测量其直径D一次、用卷尺测量钢丝的长度L（从支架上端钢丝上夹头开始到平台夹钢丝的下夹头之间的距离）。将测量结果填入数据记录表中；

（2）在望远镜中读出加有本底砝码时十字叉丝横线对应的标尺的某一刻度，记为，然后在此基础上逐个增加砝码，在数据记录表中记下每加一个砝码时十字叉丝横线对应的标尺的刻度，直到七个砝码加完为止；

（3）再用千分尺在钢丝上、中、下位置各测量其直径D一次记入数据记录表中；

（4）再逐个减去砝码，在事先准备好的表格中记下每减去一个砝码时十字叉丝横线对应的标尺的刻度。直到第（2）项中增加的七个砝码全部减去为止；

（5）用钢卷尺测量光杠杆平面镜与标尺之间的距离d₁以及光杠杆常数d₂（在纸上印出光杠杆脚尖的痕迹，连接此3个痕迹成一等腰三角形，等腰三角形的高即为d₂）。将测量结果填入数据记录表中；

注意事项

（1）加减砝码时要轻拿轻放，避免使码钩晃动；

（2）同一荷重下的两个读数要记在一起。增重与减重对应同一荷重下读数的平均值才是对应荷重下的最佳值，它消除了摩擦(圆柱体与圆孔之间的摩擦)与滞后(加减砝码时钢丝伸长与缩短滞后)等系统误差。

思考题

（1）两根材料相同，粗细、长度不同的钢丝，在相同的加载条件下，它们的伸长量是否一样？杨氏模量是否相同？

（2）有一个约4长的压电陶瓷双晶片，加直流电压后，一片伸长，另一片收缩。将两片粘在一起，一端固定，两侧施加几十伏直流电，则活动端将产生几十微米的横向位移，请你设计一种方法测量这横向位移。

附录：实验数据记录及处理

（一）实验数据记录

      、、 测量数据表（表一 ）                单位：

的测量数据表 （表二）

千分尺零点读数                                 单位：

          的测量值                             单位：

（二）数据处理 

1．的最佳值及不确定度的计算              

（1）的最佳值（用逐差法）

；；；；

(2) 计算的实验标准差：                          

(3) 平均值的实验标准差：  

                    （按肖准则检查无坏值）

(4) 标尺的示值极限误差             

(5) 合成不确定度：                         

2．D 的最佳值及不确定度的计算

（1）D的最佳值                        

（2）计算D的实验标准差

 （按肖准则检查无坏值）

 (3) D平均值的实验标准差：            

(4) 千分尺的的示值极限误差

(5) 合成不确定度：

                            

3. E的最佳值的计算和不确定度的计算   

（1）E的最佳值的计算

（2）E的不确定度的计算

由  ； ；及2和3中的不确定度得到

 

4.实验结论：

参考文献

[1].吴泳华等.大学物理实验（第一册）.北京：高等教育出版社，2001

[2].成正维.大学物理实验.北京：高等教育出版社，2002

 

 

第二篇：理工科类大学物理实验课程教学基本要求

理工科类大学物理实验课程教学基本要求

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的自然科学。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是其他自然科学和工程技术的基础。

在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位。

物理学本质上是一门实验科学。物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。

一、课程的地位、作用和任务

物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。

物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。

本课程的具体任务是：

1. 培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握实验科学的思想和方法。培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。

2. 提高学生的科学素养，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。

二、教学内容基本要求

大学物理实验应包括普通物理实验（力学、热学、电磁学、光学实验）和近代物理实验，具体的教学内容基本要求如下：

1. 掌握测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的基本能力。

（1）测量误差与不确定度的基本概念，能逐步学会用不确定度对直接测量和间接测量的结果进行评估。

（2）处理实验数据的一些常用方法，包括列表法、作图法和最小二乘法等。随着计算机及其应用技术的普及，应包括用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。

2. 掌握基本物理量的测量方法。

例如：长度、质量、时间、热量、温度、湿度、压强、压力、电流、电压、电阻、磁感应强度、光强度、折射率、电子电荷、普朗克常量、里德堡常量等常用物理量及物性参数的测量，注意加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用。

3. 了解常用的物理实验方法，并逐步学会使用。

例如：比较法、转换法、放大法、模拟法、补偿法、平衡法和干涉、衍射法，以及在近代科学研究和工程技术中的广泛应用的其他方法。

4. 掌握实验室常用仪器的性能，并能够正确使用。

例如：长度测量仪器、计时仪器、测温仪器、变阻器、电表、交／直流电桥、通用示波器、低频信号发生器、分光仪、光谱仪、常用电源和光源等常用仪器。

各校应根据条件，在物理实验课中逐步引进在当代科学研究与工程技术中广泛应用的现代物理技术，例如,激光技术、传感器技术、微弱信号检测技术、光电子技术、结构分析波谱技术等。

5. 掌握常用的实验操作技术。

例如：零位调整、水平／铅直调整、光路的共轴调整、消视差调整、逐次逼近调整、根据给定的电路图正确接线、简单的电路故障检查与排除，以及在近代科学研究与工程技术中广泛应用的仪器的正确调节。

6. 适当介绍物理实验史料和物理实验在现代科学技术中的应用知识。

三、能力培养基本要求

1.独立实验的能力——能够通过阅读实验教材、查询有关资料和思考问题，掌握实验原理及方法、做好实验前的准备；正确使用仪器及辅助设备、独立完成实验内容、撰写合格的实验报告；培养学生独立实验的能力，逐步形成自主实验的基本能力。

2.分析与研究的能力——能够融合实验原理、设计思想、实验方法及相关的理论知识对实验结果进行分析、判断、归纳与综合。掌握通过实验进行物理现象和物理规律研究的基本方法，具有初步的分析与研究的能力。

3.理论联系实际的能力——能够在实验中发现问题、分析问题并学习解决问题的科学方法，逐步提高学生综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力。

4.创新能力——能够完成符合规范要求的设计性、综合性内容的实验，进行初步的具有研究性或创意性内容的实验，激发学生的学习主动性，逐步培养学生的创新能力。

四、分层次教学基本要求

上述教学要求，应通过开设一定数量的基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验来实现。这三类实验教学层次的学时比例建议大致分别为：60%、30%、10%（各学校可根据本校的特点和需要，做适当调整，建议综合性实验、设计性或研究性实验的学时调整幅度分别不高于25％,并含有一定比例的近代物理实验）。

1. 基础性实验：主要学习基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能和基本测量方法、误差与不确定度及数据处理的理论与方法等，可涉及力学、热学、电磁学、光学、近代物理等各个领域的内容。此类实验为适应各专业的普及性实验。

2. 综合性实验：指在同一个实验中涉及到力学、热学、电磁学、光学、近代物理等多个知识领域，综合应用多种方法和技术的实验。此类实验的目的是巩固学生在基础性实验阶段的学习成果、开阔学生的眼界和思路，提高学生对实验方法和实验技术的综合运用能力。各校应根据本校的实际情况设置该部分实验内容（综合的程度、综合的范围、实验仪器、教学要求）。

3. 设计性实验：根据给定的实验题目、要求和实验条件，由学生自己设计方案并基本独立完成全过程的实验。各校也应根据本校的实际情况设置该部分实验内容（实验选题、教学要求、实验条件、独立的程度等）。

4. 研究性实验：组织若干个围绕基础物理实验的课题，由学生以个体或团队的形式，以科研方式进行的实验。

设计性或研究性实验的目的是使学生了解科学实验的全过程、逐步掌握科学思想和科学方法，培养学生独立实验的能力和运用所学知识解决给定问题的能力。各校应根据本校的实际情况设置该类型的实验内容（选题的难、易，涉及的领域等）。

五、教学模式、教学方法和实验学时的基本要求

1. 各学校应积极创造条件学校开放物理实验室，在教学时间、空间和内容上给学生较大的选择自由。为一些实验基础较为薄弱的学生开设预备性实验以保证实验课教学质量；为学有余力的学生开设提高性实验，提供延伸课内实验内容的条件，以尽可能满足各层次学生求知的需要，适应学生的个性发展。

2. 创造条件，充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间。提供学生自主学习的平台和师生交流的平台，加强现代化教学信息管理，以满足学生个性化教育和全面提高学生科学实验素质的需要。

3. 考核是实验教学中的重要环节，应该强化学生实验能力和实践技能的考核，鼓励建立能够反映学生科学实验能力的多样化的考核方式。

4. 物理实验课程一般不少于54学时；对于理科、师范类非物理专业和某些需要加强物理基础的工科专业建议实验学时一般不少于64学时。

5. 基础性实验分组实验一般每组1－2人为宜。

六、有关说明

1. 本基本要求适用于各类高等院校工科专业和理科非物理专业的本科物理实验教学。

2. 建议有条件的学校在必修实验课程之外开设1—2门物理实验选修课，其内容以近代物理、综合性、应用性实验为主，面可以宽一些，技术手段应先进一些，以满足各层次学生的需要。各校应积极创造条件，开辟学生创新实践的第二课堂，进一步加强对学生创新意识和创新能力的培养，鼓励和支持拔尖学生脱颖而出。

3. 积极开展物理实验课程的教学改革研究，在教学内容、课程体系、教学方法、教学手段等各方面进行新的探索和尝试，并将成功的经验应用于教学实践中。

教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会

物理基础课程教学指导分委员会

2008. 1. 24