杨氏模量虚拟实验

逐级加载金属丝,读取光杠杆标尺,研究零差修正与小角度近似。

图 1 拉伸与转镜光杠杆;金属丝伸长放大200倍示意,光路与装置布局不按同一比例绘制

数据分析

图 2 标尺刻度与加载质量;拟合按光杠杆小角度关系估计杨氏模量

表 1 虚拟加载记录(0 组)

来源质量 / kg读数 / mm位移 / mm采用零差 / mm操作

理想标尺采用几何反射关系,回归公式采用小角度近似,二者偏差随载荷增大。单次反演同时列出两种方法;不同零差、材料或几何参数分别分析。

原报告观测

表 2 原报告加减力标尺记录

级次质量 / kg加载 / mm卸载 / mm均值 / mm

直径视值先减正零差0.062 mm。加载和卸载读数均保留;网页理想弹性模型没有人为添加滞后。源标准不确定度预算是条件输入,未给出完整校准和相关性依据。

模型依据

$$\Delta L=\frac{4mgL}{\pi d^2E},\quad\theta=\arcsin\frac{\Delta L}{D},\quad\Delta x=H\tan(2\theta).$$
$$\Delta x\simeq\frac{2H}{D}\Delta L,\qquad E_{\mathrm{LS}}=\frac{8gLH}{\pi d_c^2Dk},\quad d_c=d_{\mathrm{apparent}}-d_0.$$

金属丝均匀、圆截面、轴向线弹性;光杠杆动足的垂直位移用 $D\sin\theta$ 定义,反射角变化为 $2\theta$。该几何模型为理想教学装置,不替代真实足点和镜面校准。线性应变上限不等同某种实际材料的屈服限。详见模型、参数及验证依据。

参考文献

张莉等,《光杠杆法测杨氏模量实验的一种改进方法》,大学物理2022,41(10):29–32、79,p29式1–3为传统拉伸及光杠杆小角关系。DOI 10.16854/j.cnki.1000-0712.210606。