一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪的制作方法

本发明属于实验教学设备相关技术领域，具体涉及一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪。

背景技术：

杨氏模量（也称为弹性模量）是衡量固体材料受力后弹性形变能力的参数之一，亦即描述材料抵抗弹性形变能力的一个重要的物理量，是生产、科研中选择合适材料的重要依据，是工程技术设计中常用的参数，在科学研究和技术应用中具有重要意义。

在大学物理实验中，固体材料杨氏模量的测量是理工科院校物理实验中必做实验之一，很多高校开设了用不同方法测量杨氏模量的多个实验，构成具有相对独立性的一个实验项目子系列。杨氏模量测量实验中蕴涵着一系列物理实验基本思想和方法，例如，涉及多个长度量的测量，需要选用螺旋测微计、游标卡尺等常规的长度测量工具；对于微小位移量的测量则可选用传统的光杠杆、读数显微镜和现代的霍尔位置传感器等；可按不同的层次要求，利用误差传递公式进行标准偏差的计算和不确定度评定；数据处理则用到了最小二乘法、逐差法和作图外推法等。可见，杨氏模量测量实验在帮助学生积累科研初步经验方面具有重要价值，为提高学生的操作技能和综合素质提供了极佳的实训平台。

目前，杨氏模量的测量方法一般有：拉伸法、震动法、内耗法和梁弯曲法等。另外通过检索发现，现有技术中还出现了利用光线位移传感器、莫尔条纹、电涡流传感器和波动传递技术等实验装置和技术来测量杨氏模量。

对于涉及到的微小伸长量的测量，大学物理实验中常采用的是梁弯曲法，根据光杠杆放大原理来测定金属材料的杨氏模量。但是利用这种方法装置测量杨氏模量存在着以下不足：

（1）通过光杠杆、望远镜及标尺组成的放大系统测量矩形界面金属梁中点下弯的垂度，方法构思巧妙，但原理比较抽象，难以理解。

（2）望远镜的调节难度大，注意事项比较多，通过肉眼利用望远镜进行观察测量，容易将数据弄错，影响结果的准确性。

（3）被测样品的长度通常需要在1m左右，因此被测样品本身的自然弯曲将带来一定的测量误差。

（4）采用普通刻度尺读数，误差较大，测量结果不够精确等。

单臂电桥是一个比较式仪表，要想求1个待测电阻rx，就要比较它与另外3个电阻r2、r3、r4组成的桥式电路。当这个桥式电路接上电源后，如果2个电桥的中点电位相等，则这两点连接的电路中的电流等于零。如果这两点间连接一个检流计，则此时检流计指针指零，此时称为电桥平衡；当电桥平衡时，被测电阻rx=r4r2/r3。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种操作简便、测量精度高、教学实验可用的单臂电桥测金属杨氏模量实验仪。

所述单臂电桥测金属杨氏模量实验仪开发原理如下：将电学公式r=ρl/s进行公式变换可得l=rs/ρ，因为金属丝电阻率ρ为固定值，金属丝横截面积s可用游标卡尺测量直径计算得到，其变化非常微小，可忽略不计，则拉伸前后金属丝的长度△l=s(rx2-rx1)/ρ，rx1和rx2由单臂电桥测得。杨氏模量的计算公式为e=fl/s△l，f为金属丝下端连接的钩码的重量，l为金属丝的长度，将△l=s(rx2-rx1)/ρ带入到e=fl\s△l可得金属丝的杨氏模量e=flρ/s²（rx2-rx1），即为金属杨氏模量的计算公式。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，包括木板、木支架、羊眼自攻螺丝、金属丝、滑轮导轨、钩码、单臂电桥、第一导线、第二导线、第一线夹、第二线夹，所述木板左侧固定有木支架，所述木支架上固定有羊眼自攻螺丝，所述金属丝起始端连接羊眼自攻螺丝，所述金属丝末端绕过滑轮导轨连接钩码，所述第一导线的一端通过第一线夹连接金属丝的起始段，所述第一导线的另一端连接到单臂电桥的“rx”的左侧接线柱上，所述第二导线的一端通过第二线夹连接金属丝的末端，所述第二导线的另一端连接到单臂电桥的“rx”的右侧接线柱上。

进一步的，所述滑轮导轨与羊眼自攻螺丝位于平行于木板的水平直线上。

进一步的，所述木板通过螺丝固定在桌面上。

进一步的，所述木支架通过螺丝固定在木板的左侧，所述滑轮导轨通过螺丝固定在木板的右侧。

本实用新型的有益技术效果在于：通过测量金属丝电阻的变化量的方法，把金属丝受外力作用时的伸长量的测量转化为金属丝在外力作用下电阻的变化量的测量，利用单臂电桥很容易测量金属丝电阻的变化量，因此本实用新型测量金属杨氏模量，实验原理简单，实验难度小，测量方便，容易操作。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1为本实用新型的单臂电桥测金属杨氏模量实验仪结构示意图。

图中，1木板，2木支架，3羊眼自攻螺丝，4金属丝，5滑轮导轨，6钩码，7单臂电桥，8第一导线，9第二导线，10第一线夹，11第二线夹。

具体实施方式

附图为本实用新型的一种具体实施例。该实施例如图1所示，一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，包括木板1、木支架2、羊眼自攻螺丝3、金属丝4、滑轮导轨5、钩码6、单臂电桥7、第一导线8，第二导线9、第一线夹10、第二线夹11，所述木板1通过螺丝固定在桌面上，木板1左侧通过螺丝固定有木支架2，所述木支架2上固定有羊眼自攻螺丝3，所述金属丝4起始端连接羊眼自攻螺丝3，所述金属丝末端经过滑轮导轨5并向竖直方向延伸连接钩码6，所述滑轮导轨5通过螺丝固定在木板1的右侧，所述第一导线8的一端通过第一线夹10连接金属丝4的起始端，所述第一导线8的另一端连接到单臂电桥7的“rx”的左侧接线柱上，所述第二导线9的一端通过第二线夹11连接金属丝的末端，所述第二导线9的另一端连接到单臂电桥7的“rx”的右侧接线柱上，拧紧接线柱，以减少接触电阻。

所述单臂电桥测金属杨氏模量实验仪的测量方法如下：首先利用标尺测出金属丝的长度l，然后利用游标卡尺测量金属丝的直径，计算横截面积s，利用钩码的质量计算出钩码的重力即为f，在使用单臂电桥测量之前，首先使用万用表估测金属丝的电阻，根据检流计的偏转方向选择比较臂，调节电桥平衡,分别测出拉伸前和拉伸后金属丝的电阻rx1和rx2，由公式e=flρ\s²（rx2-rx1）得出金属丝的杨氏模量e。

技术特征：

1.一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，其特征在与：包括木板（1）、木支架（2）、羊眼自攻螺丝（3）、金属丝（4）、滑轮导轨（5）、钩码（6）、单臂电桥（7）、第一导线（8），第二导线（9），第一线夹（10），第二线夹（11），所述木板左侧固定有木支架（2），所述木支架上固定有羊眼自攻螺丝（3），所述金属丝起始端连接羊眼自攻螺丝，所述金属丝末端绕过滑轮导轨（5）连接钩码（6），所述第一导线（8）的一端通过第一线夹（10）连接金属丝的起始段，所述第一导线（8）的另一端连接到单臂电桥（7）的“rx”的左侧接线柱上，所述第二导线（9）的一端通过第二线夹（11）连接金属丝的末端，所述第二导线（9）的另一端连接到单臂电桥（7）的“rx”的右侧接线柱上，所述滑轮导轨（5）与羊眼自攻螺丝（3）位于平行于木板的水平直线上。

2.根据权利要求1所述的单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，其特征在与：所述木板（1）通过螺丝固定在桌面上，所述木支架（2）通过螺丝固定在木板的左侧，所述滑轮导轨（5）通过螺丝固定在木板的右侧。

技术总结
一种单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，包括木板、木支架、羊眼自攻螺丝、金属丝、滑轮导轨、钩码、单臂电桥、第一导线，第二导线，所述木板左侧固定有木支架，所述木支架上固定有羊眼自攻螺丝，所述金属丝起始端连接羊眼自攻螺丝，所述金属丝末端绕过滑轮导轨连接钩码，所述第一导线的一端连接金属丝的起始段，另一端连接到单臂电桥的“Rx”的左侧接线柱上，所述第二导线的一端连接金属丝的末端，另一端连接到单臂电桥的“Rx”的右侧接线柱上。所述单臂电桥测金属杨氏模量实验仪，构思巧妙，操作简单且测量精度高，可广泛应用于大学物理实验教学。

技术研发人员：王俊平;陈庆东
受保护的技术使用者：滨州学院
技术研发日：2018.11.16
技术公布日：2020.07.24