1、仪器使用说明 TEACHERS GUIDEBOOKFD-YC-ICCD 伸长法杨氏模量测定仪中国.上海复旦天欣科教仪器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.- 1 -FD-YC- 型 CCD 伸长法杨氏模量测定仪一、概述材料的杨氏模量是工程机械设计中的重要参数之一，杨氏模量测量的实验方法在物理实验技术中也经常会用到。材料杨氏模量测量方法很多，其中最基本的方法有伸长法和弯曲法测量杨氏模量。他们的特点是：原理和实验方法容易为学生理解和掌握；且对样品没有“限制” ，样品不同粗细、长短此方法均可进行实验，
2、因而，伸长法和弯曲法测量杨氏模量实验为各高校基础物理实验所普遍采用。FD-YC-I 型 CCD 伸长法杨氏模量测定仪具有下列优点：1体积小（立柱高约 1.20m） ，重量轻（5.5kg）,实验数据稳定可靠。2样品更换方便。可以完成两种样品：钢丝及黄铜丝的材料杨氏模量测定，便于学生更好地理解杨氏模量的物理含义。3 用读数显微镜测量微小长度的实验方法，在科研和实际工作中经常用到，学生操作也较方便。4 配 CCD 成像系统，便于学生掌握 CCD 成像系统使用方法，使实验读数更直观，清晰。本仪器可用于高等院校基础物理实验、设计性综合性实验。二、仪器用途1测量钢丝和黄铜丝材料的杨氏模量。2学习基本长度测
3、量方法，掌握米尺、外径千分尺、读数显微镜的使用方法。3学习用逐差法或作图法处理数据。4学习 CCD 成像系统的使用方法，了解其特性。三、技术指标1立柱高度 1.32m （立柱采用空心不锈钢管）2金属线长度 95cm3试样材料 钢丝（0.2mm, 0.4mm）4. 读数显微镜 量程 06mm，分度值 0.01mm5. 砝码 50.0g 20 个,配重砝码 200.0g6. 重量 5.5kg (不含读数显微镜 装置及 CCD 系统)- 2 -7. CCD 及监视器 420 线黑白 CCD，14 寸黑白监视器四、使用注意事项 1实验前必须检查试样是否处于平直状态，如果有折或弯曲，须用木质螺丝刀柄的圆
4、凹槽部位沿试样来回拉动，直至使试样平直后方进行实验。2 使用 CCD 摄像机时应注意：CCD 不可正对太阳光、激光或其它强光源，CCD 的 12V 直流电源不要随意用其它的电源替代，不要使 CCD 视频输出短路。防止震动、跌落。不要用手触摸 CCD 前表面，防止 CCD 过热，在测量间隙最好关闭电源。镜头和 CCD 接口螺丝较细密，旋转时要轻，镜头要防潮、防污染。3 使用监视器时应注意：防震并注意勿将水或油溅在屏幕上。4 注意维护金属丝平直状态，使用外径千分尺测量其直径时勿将它扭折。四、实验装置图- 3 -伸 长 法 测 钢 丝 杨 氏 模 量（ 复 旦 大 学 物 理 教 学 实 验 中 心
5、 提 供 ）【实验简介】材料受外力作用时必然发生形变，其内部胁强（单位面积上受力大小）和胁变（即相对形变）的比值称为弹性模量，这是衡量材料受力后形变大小的参数之一，是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一。本实验测量康铜及钢丝的纵向弹性模量（也称杨氏模量） 。实验中涉及较多长度量的测量，应根据不同测量对象，选择不同的测量仪器。如读数显微镜配以 CCD 成像系统测量钢丝微小的伸长量。本实验采用逐差法处理数据【实验原理】设一根钢丝的截面积为 A，原长为 L，沿其长度方向加一拉力 F 后，钢丝的伸长量为L。根据胡克定律，材料在弹性限度内胁强与胁变成正比：(1)EF式中的比例系数 E 称为该材料的杨
6、氏模量。钢丝的截面积为 ,d 为钢丝的直径。4d2A因此 (2)LdA24式中 是一个很小的长度变化，可用读数显微镜配 CCD（Charge Couple Device）成象系统L直接测量，把原来从显微镜中看到的图象通过 CCD 呈现监视器的屏幕上，便于观测。CCD 是电荷耦合器件的简称，是目前较实用的一种图象传感器，它有一维和二维的两种。一维用于位移、尺寸的检测，二维用于平面图形、文字的传递。现在的二维的 CCD 器件已作为固态摄象器应用于可视电话和无线电传真领域，在生产过程监视器和检测上的应用也日渐广泛。本实验采用二维 CCD 器件作为固态摄像机，它将光学图象转变为视频电信号，由视频电缆接
7、到监视器，在电视屏幕上显示出来，对伸长量 进行直接测量。L【实验仪器及装置】- 4 -DC12VMSH21用伸长法测杨氏模量装置如图 1 所示，包括以下几部分：1.金属丝支架S 为金属丝支架，高约 1.32m，可置于实验桌上，支架顶端设有金属丝悬挂装置，金属丝长度可调，约 95cm，金属丝下端连接一小圆柱，圆柱中部方形窗中有细横线供读数用，小圆柱下端附有砝码托。支架下方还有一钳形平台，设有限制小圆柱转动的装置（未画出） ，支架底脚螺丝可调。2.读数显微镜读数显微镜 M 用来观测金属丝下端小圆柱中部方形窗中细横线位置及其变化，目镜前方装有分划板，分划板上有刻度，其刻度范围 06mm,分度值 0.
8、01mm，每隔 1mm 刻一数字。H 1为读数显微镜支架。3.CCD 成像、显示系统CCD 黑白摄像机：灵敏度：最低照0.2Lux；CCD 专用 12V 直流电源。黑白视频监视器：屏幕尺寸 14 寸，420 线，【实验内容】A 必做实验：测量钢丝材料的杨氏模量。1.认识和调节仪器（1） 认识仪器。实验前，应该学习并掌握仪 器的正确使用方法。- 5 -（2） 调节仪器。(A)调节支架 S 铅直（用底脚螺丝调节） ，使金属丝下端的小圆柱与钳形的平台无摩擦地上下自由移动，旋转金属丝上端夹具，使圆柱两侧刻槽对准钳形平台两侧的限制圆柱转动的小螺丝；两侧同时对称地将旋转螺丝旋入刻槽中部，力求减小摩擦。(B
9、)先调显微镜目镜用眼睛看到清晰的分划板象。再将物镜对准小圆柱平面中部，调节显微镜前后距离，然后微调显微镜旁螺丝直到看清小圆柱平面中部上细横刻线的象，并消除视差。 （判断无视差的方法是当左右或上下稍微改变视线方向时，两个像之间没有相对移动，这是读数显微镜已调节好的标志。只有无视差的调焦，才能保证测量精度。(C)将 CCD 摄像机装上镜头，把视频电缆线的一端接摄像机的视频输出端子（Video out）,另一端接监视器的视频输入端（Video in）.将 CCD 专用 12V 直流电源接到摄像机后面板“Power”孔，并将直流电源和监视器分别接 220V 交流电源。仔细调整 CCD 位置及镜头焦距，
10、直到监视器屏幕上看到清晰的图象。2.观测伸长变化。为使砝码托平稳可在金属丝下端先加一块砝码，此时监视器屏幕上显示的小圆柱上的细横刻线指示的刻度为 Y0，记录其数值，然后在砝码托盘上逐次加 50g 砝码，对应的读数为Yi（i=1,2，10）.再将所加的砝码逐个减去。记下对应的读数为 并将两对应读数),10.2,(iY与 求平均 。ii 2_ii3.用直尺测量金属丝长度 L；用外径千分尺测量金属丝直径 d（测 10 次） ，注意记下外径千分尺的零读数。4.用逐差法对 进行处理，计算 及 的值)10,.(_iY_LE5)()()()( 5_104_93827_6_ YYYL 由公式（2）及 F=Mg
11、(M 为砝码质量，由于采用逐差法，此处 ， ，可得：g224dA（3）LdMgE245.将测量结果与公认值进行比较。- 6 -B、选做实验：测量其它钢丝材料的杨氏模量及涂树脂康铜丝受相同力的伸长量。以了解不同材料对杨氏模量的影响。【实验数据例】 （注：以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）钢丝出厂标称直径 md20.标 称表 1 钢丝直径测量序号直径1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均d/mm 0.195 0.200 0.204 0.198 0.198 0.202 0.198 0.198 0.204 0.198 0.1995实测 L=0.918m。表 2 受力后钢丝伸长量测量长
12、度位置砝码 m/g mYi/i/ mYi/_逐差法计算 L_50.0 4.042 3.988 4.015100.0 4.106 4.058 4.082150.0 4.172 4.116 4.144200.0 4.248 4.190 4.219250.0 4.312 4.260 4.286300.0 4.386 4.332 4.359350.0 4.466 4.406 4.436400.0 4.534 4.484 4.509450.0 4.602 4.566 4.584500.0 4.680 4.648 4.664- =0.344mm_61Y- =0.354mm72- =0.365mm_83-
13、=0.365mm9Y4- =0.378mm_1050.3612mm将数据代入（3）式得（上海地区重力加速度 g=9.794m/s2） 210322 /9.1.0)195.0(4. 9874mNLdMgE - 7 -该测量结果与此钢丝的杨氏模量公认值 20.01010N/m2较为接近。属于测量误差（不确定度）范围内。【思考题】1对微小伸长量测量读数显微镜方法外，还有哪些方法？2根据不确定度估算， 表达式中哪些项的影响最大？如何降低其影响？EU)(【参考资料】1 沈元华、陆申龙. 基础物理实验. 北京：高等教育出版社.2003.12：93-962 贾玉润等. 大学物理实验. 上海：复旦大学出版社，
14、19873 德威廉H卫斯特发尔著. 物理实验.王福山译，上海：上海科技出版社，1981.6 - 8 -上海复旦天欣科教仪器有限公司FD-YC-I 型 CCD 伸长法杨氏模量测定仪装 箱 清 单您购买的产品与装箱清单中是否符合，请验收。日期： 年 月 日序 号 名 称 单 位 数 量 备 注1 CCD 摄像机 台 1 选配，420 线2 监视器 台 1 选配，14 寸黑白监视器3 钢线样品 根 1 长约 95cm；直径约 0.4mm4 钢丝样品 根 1 长约 95cm；直径约 0.2mm5 20 倍读数显微镜 台 1 量程 06mm，分度值 0.01mm6 砝码 个 20 50g7 实验装置 套 1 高度 1.32m8 CCD 摄像机支架 套 19 显微镜支架 套 110 铝合金导轨 根 1 固定显微镜和 CCD 摄像头支架用11 配重砝码 个 1 200g12 砝码托盘 个 113 内六角扳手 个 214 Q9 线 根 115 12V 电源 个 1 选配，CCD 专用电源16 产品说明书 本 117 合格证 份 107 年 3 月 20 日修订
