试验一金属弹性模量的测定Word文档下载推荐.docx

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实验十一差热-热重分析……….……………………………….44

实验十二稳态平板法测定绝热材料导热系数实验…………....49

实验十三热电偶的定标…………………………………………54

实验一金属弹性模量的测定

杨氏弹性模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，是选定机械构件材料的依据之一，是工程技术中常用的参数

测量杨氏模量的方法很多，本实验介绍一种常用的测量方法——光杠杆法（又称拉伸法）测金属丝的杨氏模量。

【实验目的】

1.学习用拉伸法测量金属丝的杨氏弹性模量。

2.掌握用光杠杆法测量微小长度变化量的原理和方法。

3.学会用逐差法处理实验数据。

【实验仪器】

1.杨氏模量仪，望远镜，光杠杆，标尺，千分尺，游标卡尺，米尺，砝码一组等。

2.用光杠杆法测量杨氏弹性模量装置如图1所示。

【实验原理】

1.拉伸法测量杨氏弹性模量

任何物体受到外力作用的时候都要发生形变，外力撤除后物体的形变随之消失，物体完全恢复原状的形变，成为弹性形变。

若形变超过了一定的限度，外力撤除后物体不能完全恢复原状仍有剩余形变，成为范性形变。

本实验只研究弹性形变，即研究金属丝延长度方向受外力作用后的伸长形变。

L

取一粗细均匀的金属丝，长度为L，截面积为S，将其上端固定，下端悬挂质量为m的砝码，于是，金属丝受外力F的作用而发生形变，伸长了ΔL，比值F/S是单位截面积上的作用力，称为胁强（应力）；

比值ΔL/L是金属丝的相对伸长量，称为胁变（应变）。

根据胡克定律有：

在弹性限度内，它的胁强与胁变成正比，即

或

（1）

式中比例系数E就是该材料的杨氏弹性模量，简称杨氏模量。

实验表明，杨氏弹性模量E与外力F，物体的长度L以及截面积S的大小无关，仅决定于材料本身的性质，它是表征固体材料性质的一个重要物理量。

2.光杠杆镜尺法测量长度微小变化的原理

由

（1）式可知，F，L，S都容易测出，只有微小伸长量ΔL用通常测长度仪器不易测准确。

为此，本实验用光杠杆法测量ΔL，下面介绍之一原理。

用光杠杆法测量微小长度ΔL的装置如图2（a），其原理见图2（b）。

设开始时平面镜M的法线在水平位置，在标尺S上的标度线n。

发出的光通过平面镜M反射后进入望远镜W被观察到。

当金属丝伸长后，光杠杆（平面镜M及其支架）的后脚随金属丝下落ΔL，带动M转动一角度α，而至M’，法线on也转同一角度α到on。

根据光的反射定律，从n0发出的光将反射至n2，而且∠n0on1=∠n2on1=α。

由光线的可逆性，从n2发出的光经平面镜反射后进入望远镜而可以观察到。

当平面镜M转过α角，其法线亦转过α角，故反射线实际上改变2α角，设镜面到标尺距离为D，光杠杆后脚至二前脚连线的垂直距离为b，则

因为ΔL<

<

b,α角很小，故有

所以

（2）

又（d是金属丝直径）

将

（2）式代入

（1）式，得

（3）

【实验内容】

1.调节杨氏模量仪的底座螺钉，使立柱垂直（用水准仪查）。

2.在金属丝下端挂上砝码盘并放一定质量（1kg）的砝码（在测量计算中不计其重量），使钢丝自然伸直。

检查钢丝下端与平台孔是否自由滑动。

3.将光杠杆放在工作台上，二前足在工作台的横槽内，后足放在架子上与钢丝几乎接触，但不得与钢丝相碰。

调平面镜铅直。

4.调整望远镜及标尺的位置，首先沿镜筒的轴线方向通过准星，观察反射镜内有标尺的像为止。

5.旋转目镜，使望远镜分划板上的十字叉丝清晰。

从望远镜内观察光杠杆反射镜内标尺的像，调节物镜的调焦手轮，使标尺成像清晰，而且当眼睛上下移动时，十字叉丝与标尺像之间没有相对移动（消除视差）。

记录十字叉丝水平对准的标尺刻度n0。

6.一次增加砝码（每次增加1kg），从望远镜中观察标尺刻度的变化，并一次记下相应的标尺刻度n1，n2，…n7。

7.一次取下砝码（每次减1kg），记下相应的刻度值。

8.用米尺测量钢丝长度L，单词测量。

用米尺测量平面镜标尺的距离D，单词测量。

9.将光杠杆放在一张纸上，压出三个足迹后，用游标卡尺测量后足至前足连线的垂直距离不，重复十次。

10.用千分尺分别测出钢丝上、中、下三个部位的直径d，共测十次取平均值。

【数据处理】

1.自拟表格将各测量值填入表内，计算平均值和算数平均偏差。

游标卡尺的分度值mm，零点读数mm。

千分尺的分度值mm，零点读数mm。

m，m，m，m。

2.用逐差法处理标尺读数（使用表1与2）。

表1

序号

砝码

（kg）

标尺读数（m）

增加砝码ni

减少砝码ni

平均

1

2

3

4

5

6

7

表2

每加四个砝码标尺读数差（m）

（m）

3.计算杨氏模量及偏差

，

【预习思考题】

1.用光杠杆测量微小长度变化量的原理是什么？

有何优点？

2.如一开始就在望远镜中寻找标尺像，很难找到，为什么？

望远镜调节到怎样情况才算调节好？

3.本实验是一个综合性的长度测量实验，对各个不同长度量，应考虑采用哪一种合适的量具？

哪些量只需进行一次测量，哪些量必须进行多次测量？

【思考题】

1.本实验中必须满足哪些实验条件？

2.实验中需要特别测准哪些量？

为什么？

3.用逐差法处理数据的有点是什么？

4.有两根材料相同，但粗细不同的金属丝，它们的杨氏模量是否相同？

实验二金属电阻温度系数测定

1．了解和测量金属电阻和温度的关系;

2．了解金属电阻温度系数的测定原理;

3．根据所测Pt100的电阻-温度特性，选择一种合适的电路设计制作数字温度计.

1.YJ-CGQ-I典型传感特性综合实验仪、2.Pt100热敏电阻温度传感器实验模板、3.Pt100传感器、4.数字万用表、5.大七芯-大七芯连接线、6.加热恒温箱、7.连接线.

实验模板如1所示.

1．金属电阻温度系数

各种导体的电阻随着温度的升高而增大，在通常温度下，电阻与温度之间存在着线性关系，可用下式表示

R=R0（1+αt）

（1）

式中，R是温度为t℃时的电阻；

R0为0℃时的电阻；

α称为电阻温度系数.

严格说，α和温度有关，但在0-100℃范围内，α的变化很小，可以看作不变.

2．铂电阻

导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具备以下特性：

（1）电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系；

（2）电阻率高，热容量小，反映速度快；

（3）材料的复现性和工艺性好，价格低；

（4）在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广的材料是铂、铜.

铂电阻与温度之间的关系，在0--630.74℃范围内用下式表示

RT=R0（1+AT+BT2）

（2）

在-200--0℃的温度范围内为

RT=R0[1+AT+BT2+C（T-100℃）T3]（3）

式中，R0和RT分别为在0℃和温度T时铂电阻的电阻值，A、B、C为温度系数，由实验确定，A=3.90802×

10-3℃-1，B=-5.80195×

10-7℃-2，C=-4.27350×

10-12℃-4.由式

（2）和式（3）可见，要确定电阻RT与温度T的关系，首先要确定R0的数值，R0值不同时，RT与T的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻R0值有100Ω和500Ω两种，并将电阻值RT与温度T的相应关系统一列成表格，称其为铂电阻的分度表，分度号分别用Pt100和Pt500表示.

铂电阻采用纯度为99.9995%的铂丝绕制，其性能稳定，重复性好，精度高，在一定的温度范围内具有良好的线性，是国际公认的成熟产品，国际温标ITS-90中还规定，将具有特殊构造的铂电阻作为13.5033K--961.78℃标准温度计来使用.铂电阻广泛用于-200--850℃范围内的温度测量，工业中通常在600℃以下.

【实验内容与步骤】

1．测Pt100的R-t曲线

1.1将加热恒温箱的电缆线与YJ-CGQ-I典型传感特性综合实验仪中的加热电缆座相连,打开电源开关，顺时针调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮，打开加热开关,加热指示灯发亮（加热状态），同时观察恒温加热盘温度（控温表）的变化，当恒温加热盘温度即将达到所需温度（如50.0℃）时逆时针调节“设定温度粗选”和“设定温度细选”钮使指示灯闪烁或者变暗（恒温状态），仔细调节“设定温度细选”使C盘温度恒定在所需温度（如50.0℃）.将Pt100插入恒温腔中，信号接入数字多用表，测出此温度时的电阻值.

1.2重复以上步骤，设定温度为55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃，测出热敏电阻在上述温度点时的电阻值.

1.3根据上述实验数据，绘出R-t曲线.

2．求Pt100的电阻温度系数

根据R-t曲线，从图上任取相距较远的两点t1-R1及t2-R2根据

（1）式有：

R1=R0+R0αt1

R2=R0+R0αt2

联立求解得：

α=（R2-R1）/（R1t2-R2t1）

3.数字温度计的设计与标定

方法1：

1）将Pt100温度传感器引线接入实验模板a、b之间，Ec接入直流10mA

的恒流源,将±

15V电源接入模板,用连接线连接V01与放大器R6、R7输入端.

2）将Pt100温度传感器置于0℃的环境中（如冰水混合物），万用表档位选择在DC20V档,调节Rw1使V02为0.000V.

3）将Pt100温度传感器置于恒温腔中，加热至100.0℃，调接Rw2使V02为1.000V（0.001V相当于0.1℃）.

4）重复1、2步使误差最小.

方法2：

1）将Pt100温度传感器引线接入实验模板a、b之间，Ec接入直流10mA的恒流源,将±

2）将Pt100温度传感器置于50.0℃的环境中（如恒温腔恒温在50.0℃），万用表档位选择在DC20V,调接Rw1使V02为0.000V.

3）加热至100.0℃，调接Rw2使V02为0.500V（0.001V相当于0.1℃）.

4）使恒温腔的温度冷却并恒温于50.0℃,调节Rw1使V02为0.500V

5）加热至100.0℃,V02应为1.000V（0.001V相当于0.1℃）.

3.评估你所设计调试的数字温度计,写出评估报告.

【注意事项】

1.供电电源插座必须良好接地；

2.在整个电路连接好之后才能打开电源开关；

3.严禁带电插拔电缆插头.