FD-YC-I型CCD伸長法楊氏模量測定儀使用說明(070320修訂).doc

儀器使用說明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-YC-ICCD伸長法楊氏模量測定儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-YC-型CCD伸長法楊氏模量測定儀一、概述 材料的楊氏模量是工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)之一，楊氏模量測量的實(shí)驗(yàn)方法在物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)中也經(jīng)常會用到。材料楊氏模量測量方法很多，其中最基本的方法有伸長法和彎曲法測量楊氏模量。他們的特點(diǎn)是：原理和實(shí)驗(yàn)方法容易為學(xué)生理解和掌握；且對樣品沒有“限制”，樣品不同粗細(xì)、長短此方法均可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因而，伸長法和彎曲法測量楊氏模量實(shí)驗(yàn)為各高校基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)所普遍采用。FD-YC-I型CCD伸長法楊氏模量測定儀具有下列優(yōu)點(diǎn)：1體積小（立柱高約1.20m），重量輕（5.5kg）,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。2樣品更換方便。可以完成兩種樣品：鋼絲及黃銅絲的材料楊氏模量測定，便于學(xué)生更好地理解楊氏模量的物理含義。3 用讀數(shù)顯微鏡測量微小長度的實(shí)驗(yàn)方法，在科研和實(shí)際工作中經(jīng)常用到，學(xué)生操作也較方便。4 配CCD成像系統(tǒng)，便于學(xué)生掌握CCD成像系統(tǒng)使用方法，使實(shí)驗(yàn)讀數(shù)更直觀，清晰。本儀器可用于高等院校基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性綜合性實(shí)驗(yàn)。二、儀器用途1測量鋼絲和黃銅絲材料的楊氏模量。2學(xué)習(xí)基本長度測量方法，掌握米尺、外徑千分尺、讀數(shù)顯微鏡的使用方法。3學(xué)習(xí)用逐差法或作圖法處理數(shù)據(jù)。4學(xué)習(xí)CCD成像系統(tǒng)的使用方法，了解其特性。三、技術(shù)指標(biāo)1立柱高度 1.32m （立柱采用空心不銹鋼管）2金屬線長度 95cm3試樣材料 鋼絲（0.2mm, 0.4mm）4. 讀數(shù)顯微鏡 量程06mm，分度值0.01mm5. 砝碼 50.0g 20個(gè),配重砝碼200.0g6. 重量 5.5kg (不含讀數(shù)顯微鏡裝置及CCD系統(tǒng))7. CCD及監(jiān)視器 420線黑白CCD，14寸黑白監(jiān)視器四、使用注意事項(xiàng) 1實(shí)驗(yàn)前必須檢查試樣是否處于平直狀態(tài)，如果有折或彎曲，須用木質(zhì)螺絲刀柄的圓凹槽部位沿試樣來回拉動，直至使試樣平直后方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2 使用CCD攝像機(jī)時(shí)應(yīng)注意：CCD不可正對太陽光、激光或其它強(qiáng)光源，CCD的12V直流電源不要隨意用其它的電源替代，不要使CCD視頻輸出短路。防止震動、跌落。不要用手觸摸CCD前表面，防止CCD過熱，在測量間隙最好關(guān)閉電源。鏡頭和CCD接口螺絲較細(xì)密，旋轉(zhuǎn)時(shí)要輕，鏡頭要防潮、防污染。3 使用監(jiān)視器時(shí)應(yīng)注意：防震并注意勿將水或油濺在屏幕上。4 注意維護(hù)金屬絲平直狀態(tài)，使用外徑千分尺測量其直徑時(shí)勿將它扭折。四、實(shí)驗(yàn)裝置圖伸長法測鋼絲楊氏模量（復(fù)旦大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心提供）【實(shí)驗(yàn)簡介】材料受外力作用時(shí)必然發(fā)生形變，其內(nèi)部脅強(qiáng)（單位面積上受力大?。┖兔{變（即相對形變）的比值稱為彈性模量，這是衡量材料受力后形變大小的參數(shù)之一，是設(shè)計(jì)各種工程結(jié)構(gòu)時(shí)選用材料的主要依據(jù)之一。本實(shí)驗(yàn)測量康銅及鋼絲的縱向彈性模量（也稱楊氏模量）。實(shí)驗(yàn)中涉及較多長度量的測量，應(yīng)根據(jù)不同測量對象，選擇不同的測量儀器。如讀數(shù)顯微鏡配以CCD成像系統(tǒng)測量鋼絲微小的伸長量。本實(shí)驗(yàn)采用逐差法處理數(shù)據(jù) 【實(shí)驗(yàn)原理】設(shè)一根鋼絲的截面積為A，原長為L，沿其長度方向加一拉力F后，鋼絲的伸長量為L。根據(jù)胡克定律，材料在彈性限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比： (1)式中的比例系數(shù)E稱為該材料的楊氏模量。鋼絲的截面積為,d為鋼絲的直徑。因此 (2)式中是一個(gè)很小的長度變化，可用讀數(shù)顯微鏡配CCD（Charge Couple Device）成象系統(tǒng)直接測量，把原來從顯微鏡中看到的圖象通過CCD呈現(xiàn)監(jiān)視器的屏幕上，便于觀測。CCD是電荷耦合器件的簡稱，是目前較實(shí)用的一種圖象傳感器，它有一維和二維的兩種。一維用于位移、尺寸的檢測，二維用于平面圖形、文字的傳遞?，F(xiàn)在的二維的CCD器件已作為固態(tài)攝象器應(yīng)用于可視電話和無線電傳真領(lǐng)域，在生產(chǎn)過程監(jiān)視器和檢測上的應(yīng)用也日漸廣泛。本實(shí)驗(yàn)采用二維CCD器件作為固態(tài)攝像機(jī)，它將光學(xué)圖象轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l電信號，由視頻電纜接到監(jiān)視器，在電視屏幕上顯示出來，對伸長量進(jìn)行直接測量。【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】 用伸長法測楊氏模量裝置如圖1所示，包括以下幾部分：1.金屬絲支架S為金屬絲支架，高約1.32m，可置于實(shí)驗(yàn)桌上，支架頂端設(shè)有金屬絲懸掛裝置，金屬絲長度可調(diào)，約95cm，金屬絲下端連接一小圓柱，圓柱中部方形窗中有細(xì)橫線供讀數(shù)用，小圓柱下端附有砝碼托。支架下方還有一鉗形平臺，設(shè)有限制小圓柱轉(zhuǎn)動的裝置（未畫出），支架底腳螺絲可調(diào)。2.讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡M用來觀測金屬絲下端小圓柱中部方形窗中細(xì)橫線位置及其變化，目鏡前方裝有分劃板，分劃板上有刻度，其刻度范圍06mm,分度值0.01mm，每隔1mm刻一數(shù)字。H1為讀數(shù)顯微鏡支架。3.CCD成像、顯示系統(tǒng)CCD黑白攝像機(jī)：靈敏度：最低照0.2Lux；CCD專用12V直流電源。黑白視頻監(jiān)視器：屏幕尺寸14寸，420線，【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】A 必做實(shí)驗(yàn)：測量鋼絲材料的楊氏模量。1.認(rèn)識和調(diào)節(jié)儀器（1） 認(rèn)識儀器。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)該學(xué)習(xí)并掌握儀器的正確使用方法。（2） 調(diào)節(jié)儀器。(A)調(diào)節(jié)支架S鉛直（用底腳螺絲調(diào)節(jié)），使金屬絲下端的小圓柱與鉗形的平臺無摩擦地上下自由移動，旋轉(zhuǎn)金屬絲上端夾具，使圓柱兩側(cè)刻槽對準(zhǔn)鉗形平臺兩側(cè)的限制圓柱轉(zhuǎn)動的小螺絲；兩側(cè)同時(shí)對稱地將旋轉(zhuǎn)螺絲旋入刻槽中部，力求減小摩擦。(B)先調(diào)顯微鏡目鏡用眼睛看到清晰的分劃板象。再將物鏡對準(zhǔn)小圓柱平面中部，調(diào)節(jié)顯微鏡前后距離，然后微調(diào)顯微鏡旁螺絲直到看清小圓柱平面中部上細(xì)橫刻線的象，并消除視差。（判斷無視差的方法是當(dāng)左右或上下稍微改變視線方向時(shí)，兩個(gè)像之間沒有相對移動，這是讀數(shù)顯微鏡已調(diào)節(jié)好的標(biāo)志。只有無視差的調(diào)焦，才能保證測量精度。(C)將CCD攝像機(jī)裝上鏡頭，把視頻電纜線的一端接攝像機(jī)的視頻輸出端子（Video out）,另一端接監(jiān)視器的視頻輸入端（Video in）.將CCD專用12V直流電源接到攝像機(jī)后面板“Power”孔，并將直流電源和監(jiān)視器分別接220V交流電源。仔細(xì)調(diào)整CCD位置及鏡頭焦距，直到監(jiān)視器屏幕上看到清晰的圖象。2.觀測伸長變化。為使砝碼托平穩(wěn)可在金屬絲下端先加一塊砝碼，此時(shí)監(jiān)視器屏幕上顯示的小圓柱上的細(xì)橫刻線指示的刻度為Y0，記錄其數(shù)值，然后在砝碼托盤上逐次加50g砝碼，對應(yīng)的讀數(shù)為Yi（i=1,2，10）.再將所加的砝碼逐個(gè)減去。記下對應(yīng)的讀數(shù)為并將兩對應(yīng)讀數(shù)與求平均 。3.用直尺測量金屬絲長度L；用外徑千分尺測量金屬絲直徑d（測10次），注意記下外徑千分尺的零讀數(shù)。4.用逐差法對進(jìn)行處理，計(jì)算及的值由公式（2）及F=Mg(M為砝碼質(zhì)量，由于采用逐差法，此處，可得： （3）5.將測量結(jié)果與公認(rèn)值進(jìn)行比較。B、選做實(shí)驗(yàn)：測量其它鋼絲材料的楊氏模量及涂樹脂康銅絲受相同力的伸長量。以了解不同材料對楊氏模量的影響?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時(shí)參考）鋼絲出廠標(biāo)稱直徑表1 鋼絲直徑測量序號直徑12345678910平均d/mm0.1950.2000.2040.1980.1980.2020.1980.1980.2040.1980.1995實(shí)測L=0.918m。表2 受力后鋼絲伸長量測量 長度位置砝碼m/g逐差法計(jì)算50.04.0423.9884.015-=0.344mm-=0.354mm-=0.365mm-=0.365mm-=0.378mm0.3612mm100.04.1064.0584.082150.04.1724.1164.144200.04.2484.1904.219250.04.3124.2604.286300.04.3864.3324.359350.04.4664.4064.436400.04.5344.4844.509450.04.6024.5664.584500.04.6804.6484.664將數(shù)據(jù)代入（3）式得（上海地區(qū)重力加速度g=9.794m/s2）該測量結(jié)果與此鋼絲的楊氏模量公認(rèn)值20.01010N/m2較為接近。屬于測量誤差（不確定度）范圍內(nèi)?！舅伎碱}】1對微小伸長量測量讀數(shù)顯微鏡方法外，還有哪些方法？2根據(jù)不確定度估算，表達(dá)式中哪些項(xiàng)的影響最大？如何降低其影響？【參考資料】1 沈元華、陸申龍. 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn). 北京：高等教育出版社.2003.12：93-962 賈玉潤等. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn). 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，19873 德威廉H衛(wèi)斯特發(fā)爾著. 物理實(shí)驗(yàn).王福山譯，上海：上?？萍汲霭嫔纾?981.6 上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司FD-YC-I型CCD伸長法楊氏模量測定儀裝 箱 清 單您購買的產(chǎn)品與裝箱清單中是否符合，請驗(yàn)收。日期： 年 月 日序 號名 稱單 位數(shù) 量備 注1CCD攝像機(jī)臺1選配，420線2監(jiān)視器臺1選配，14寸黑白監(jiān)視器3鋼線樣品根1長約95cm；直徑約0.4mm4鋼絲樣品根1長