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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.FD-YC-I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，因而，伸长法和弯
2、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学习基本长度测量方法，掌握米尺、外径千分尺、读数显
3、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)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
4、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。五实验装置图伸长法测钢丝杨氏模量（复旦大学物理教学实验中心提供）【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
5、，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)式中的比例系数E称为该材料的杨氏模量。钢丝的截面积为,d为钢丝的直径。因此 (2)式中是一个很小的长度变化，可用读数显微镜配CCD（Charge Couple Device）成象系统直接测量，把原来从显微镜中看
6、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，由视频电缆接到监视器，在电视屏幕上显示出来，对伸长量进行直接测量。【实验仪器及装置】 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
7、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0.01mm，每隔1mm刻一数字。H1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。
8、实验前，应该学习并掌握仪器的正确使用方法。（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)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
9、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，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与求平均 。3.用直尺测量金属丝长度L；用外径千分
10、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，计算及的值由公式（2）及F=Mg(M为砝码质量，由于采用逐差法，此处，可得： （3）5.将测量结果与公认值进行比较。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）钢丝出厂标称直径表1 钢丝直径测量序号直径12345678910平均d/mm0.1950.2000.2040.1980.1980.2020.1980.1980.2040.1980.1995实测L=0.918m。表2 受力后钢丝伸长量测
11、量 长度位置砝码m/g逐差法计算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将数据代入（3）式得（上海地区重力加速度g=9.794m/s2）
12、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？【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，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 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1CCD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0.2mm520倍读数显微镜台1量程06mm，分度值0.01mm6砝码个2050g7实验装置套1高度1.32m8CCD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1200g12砝码托盘个113内六角扳手个214Q9线根11512V电源个1选配，CCD专用电源16产品说明书本117合格证份1 07年3月20日修订