楊氏模量的測定

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楊氏模量的測定范文第1篇

關鍵詞：彎曲法；讀數顯微鏡；SPSS線性估計；不確定度分析；楊氏模量

中圖分類號：04-33 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）33-0126-02

楊氏模量是表征固體材料性質的重要物理量[1]，是工程技術中機械構件選材時的重要參數[2]，也是大學物理實驗的重要內容之一。楊氏模量的測定是大學物理實驗中的一個重要實驗[3]。在傳統的彎梁法[4]基礎之上，逐步形成了一些新的實驗方法[5-7]，但這些新的實驗方法普遍存在著實驗系統相對復雜、實驗成本較高的情況，或者易受外界環境（溫度、濕度、電磁）的影響。因此，高等學校實驗教材中普遍采用的還是傳統的彎梁法的實驗方法，但由于傳統的彎梁法存在著處理實驗數據的方法較為陳舊，實驗結果使用的是不確定的置信概率較低的現象（68.3%的正態分布）。為此，引入SPSS[8]曲線估計功能去分析實驗數據，試圖減小人為因素和儀器因素帶來的偶然誤差和系統誤差，提高對實驗數據及實驗結果分析的精度，用置信率為95%的不確定度（七分布）對實驗數據及其結果進行評價，可得到更為合理的實驗結果。

一、實驗儀器

1.實驗裝置（見圖1）。

2.實驗安裝及調試。通過底板三個角上的水平調節螺絲，用水準器觀察，使底板調整到水平位置。將橫梁穿入砝碼銅刀口內，并安放在兩立柱的正中央位置，使砝碼盤下的限位桿垂直插入限位器內，防止砝碼盤的過度擺動。將讀數顯微鏡安裝在顯微鏡架上，調節讀數顯微鏡目鏡，直到眼睛觀察鏡內的十字線和數字清晰，同時觀察能否通過讀數顯微鏡清楚地看到銅刀口上的基線，再轉動讀數旋鈕使刀口的基線與讀數顯微鏡內十字刻線的水平線吻合。調節好儀器就可以進行測量，但要注意在加減砝碼時，砝碼輕拿輕放，盡量不要碰到實驗裝置。

二、實驗原理

測量原理。測量原理如圖2所示，將橫梁厚度為x，橫梁寬度為y的銅片放在相距為l的二刀刃上，在梁上l/2處系上質量為m的砝碼，使梁彎曲。掛砝碼處由于外力作用而下降的位移變化量為ΔZ。在梁受力彎曲達到平衡時，根據胡克定律可推演鐵片的楊氏模量，由下式[9]決定：E=■（1），考察（1）式，設各位移與重力加速度的綜合量δ=■，則（1）式可簡化為m=Eδ （2）。

實驗中，用物理天平測定mi。用米尺測得l，螺旋測微器測得x、y，用讀數顯微鏡讀取Zi，從而可得系統各長度與重力加速度的綜合量（δi）。應用SPSS的曲線估計功能，試圖去分析系統的附加質量（mi）與系統各長度與重力加速度的綜合量（δi）之間的線性相關性，由此標定出鐵片的楊氏模量，并對其不確定度進行估算。

三、對楊氏模量的不確定度分析[10]

若直接測量為a，其不確定度可由A、B類進行評定。測量列平均值的標準偏差為：u■=■ （3）

對于A類分量，實驗中測量次數為7次，此時測量結果服從t分布，tp為與一定置信概率相聯系的置信因子，當p=0.95時，tp=2.45，則：u■=2.34u■ （4），（4）式中的a可以分別表示l、x、y、ΔZ。

對于B類分量，若其誤差極限為Δ，kp為一定置信概率下相應分布的置信因子，Δ為儀器精度，C為相應分布的置信系數，若儀器誤差服從均勻分布C=■，當p=0.95時，kp=1.96，那么u■=1.96■ （5），（5）式中的a可以分別表示l、x、y、ΔZ。

直接測量為a的合成不確定度為：

u■=■ （6）

根據（2）式u■=■，可得E的相對不確定度為：

u■=■■ （7）

四、測量數據及線性分析

1.測量數據及其結果。

2.用SPSS分析mi-δi定標曲線。

將表3實驗結果輸入SPSS軟件中，應用SPSS中的線性估計功能，以系統附加砝碼質量（mi）為因變量，以各長度和重力加速度的綜合量（δi）為自變量，可得定標曲線方程為：

■ （8）

所得其定標曲線如圖3所示。

五、對楊氏模量不確定度的估算

根據圖3的m-δ定標曲線，在直線上適當的位置取樣δ1、m1，δ2、m2，合理估算E的不確定度。由（8）式可得：

u■=■ （9）

在圖3上δ1、m1，δ2、m2取值可得：E=■ （10）

由上式可得：u■=■ （11）

由圖3取樣點結合（9）、（10）、（11）可得楊氏模量的實驗結果見下表。

從測量原理所得的（2）式可知，只要測量條件允許，理論上，系統附加砝碼質量（m）與系統各長度和重力加速度的復合量（δ）應該具有線性關系，若能從實驗的角度研究出mi-δi的關系曲線，必然可以證明系統附加砝碼（m）與系統各長度和重力加速度的復合量（δ）存在線性關系，從而可以較為直觀地標定出鐵片的楊氏模量，這在彎梁法的測量原理上具有一定的創新性。

由表3實驗數據，利用SPSS的曲線估計功能得定標方程（8）式及其圖3的m-δ定標曲線圖。驗證了系統附加砝碼（m）系統各長度與負重的復合量（δ）具有線性關系，實驗所得定標方程（8）式及圖3實驗曲線與理論分析的（2）式具有一致性。

由表3數據，應用SPSS線性估計功能得到定標方程（8）式，得到鐵片的楊氏模量為1.88×1011N?m-2，對比通過查看手冊[11]所得鐵片楊氏模量E=1.85×1011N?m-2，二者具有較好吻合度，表明所擬合的m-δ直線是客觀的。

為了能較好的實現實驗數據線性分析的合理性。應保證銅片盡量平直，實驗選擇最小本底為掛鉤砝碼10kg，負重砝碼（mi）以每組20kg為標準遞增（或遞減），所對應的豎直方向上的位移Zi從0.658mm變化到2.054mm，可以推算出位移Zi的變化量ΔZ從0.202mm變化到1.396mm。由圖3可看出表2測量的數據可靠性較高，從而使得測量結果、實驗結果更為合理。

查手冊的鋼絲的楊氏模量為1.87×1011N?m-2，對照表4所得鐵片楊氏模量的實驗結果為1.88×1011N?m-2，二者吻合度較高。尤其查看表4中楊氏模量的實驗結果，由該實驗方案所得楊氏模量的實驗值只在千分位上可疑，而以往采用的實驗方案所得楊氏模量的實驗值一般為十分位或百分位上可疑。表明應用SPSS的曲線分析估計標定的楊氏模量，是可以顯著提高測量數據及實驗結果的分析精度，且數據的處理過程及結果較為直觀有效。因此，該實驗方案具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]劉超，蒲玉萍，等.硅鋁復合材料楊氏模量有限元計算研究[J].粉末冶金工業，2013，23（4）：50-53.

[2]周曉明.三種楊氏模量測量方法比較[J].實驗科學與技術，2011，9（6）：97-99.

[3]金三梅，左謹平，等.基于光電傳感器的金屬楊氏模量的測量[J].電子測量技術，2011，（11）：51-52.

[4]張春梅.用彎曲法測楊氏模量的不確定度的評定[J].大學物理實驗，2003，16（4）：46-48

[5]王新春，王昆林，等.對液壓法測楊氏模量的研究[J].大學物理實驗，2011，24（2）：21-24.

[6]許巧平，蘇芳珍，等.用光衍射法測量楊氏模量[J].實驗技術與管理，2012，（10）：101-102.

[7]彭濤，王新春，等.電橋法測楊氏模量的實驗研究[J].大學物理實驗，2011，24（1）：51-54.

[8]沈家旺，王新春，等，定標法求鋼絲楊氏模量的研究[J].技術物理學，2012，20（2）：86-90.

[9]梁霄，田源，等.橫梁彎曲衍射法測楊氏模量實驗儀的研制[J].物理實驗，2011，31（8）：31-33.

楊氏模量的測定范文第2篇

關鍵詞：信息融合；教學模型；效果

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6591-04

本人在大學物理實驗中心做實驗教師多年，這為信息融合教學模型的實施提供了支持。因條件有限，為檢驗新模型和傳統模型的效果差異，我只選擇了一個大學物理實驗項目——《楊氏模量的測量》，作為研究對象，分析運用信息融合教學模型和運用傳統教學模型的實施效果。

1 《楊氏模量的測量》實驗的課程描述

1.1 課程開展說明

《楊氏模量的測量》是一個比較復雜的實驗，要求學生要有細心觀察能力、獨立操作儀器的能力和復雜數據處理的能力。這些都是大學物理實驗課程開設的對學生要求的必須達到的能力目標，是一個工科類學生必修的實驗項目。本學期《楊氏模量的測量》課開設的時間是：2013 年 3 月 8 號至 5 月 30 號，總共是 8 周 24節課。實驗班級一個，人數43人，首先，我將該班分成4個組，實驗項目和其他3個實驗項目同時輪流進行，其中，兩個組為實驗組，運用信息融合教學模型，剩下兩個組運用傳統教學模型，主要以楊氏模量的測量為觀測點。

1.2 教學方法與手段

在實驗組，采用了信息融合學習模型，來增強學生接受能力、操作能力，挖掘并激發學生的潛能[1]。首先，利用學院的網站資源，把《楊氏模量的測量》相關的儀器介紹，原理說明，操作流程已經實驗注意事項的視頻資料，放到網站上，要求每個學生在課前必須預習觀看。同時，在網站上還有很多該實驗的背景資料，同學們可以隨時隨地瀏覽獲取課外的擴展知識。平時，老師和學生可以利用現代通訊設施（微博、QQ等）進行互動，讓他們隨時討論《楊氏模量的測量》實驗課程的相關問題，這樣可以了解更多楊氏模量的測量方法及其前景應用的知識，把大學物理實驗的教學從過去的傳統課堂延伸到豐富多彩的課外，從而，也促使學生學習目的發生變化，不再是為了來修學分，應付考試。培養了學生學習興趣，獨立思考能力、動手能力和想象能力[2]。

2 課程設計與實施的過程

2.1 《楊氏模量的測量》內容分析

在對《楊氏模量的測量》實驗課程的初步分析后，下面對實驗課程內容進行說明，詳見表1。

（2）學會《楊氏模量的測定》的儀器操作規范。

（3）理解《楊氏模量的測量》實驗的基本原理。

（4）通過拉伸法測楊氏模量，熟悉數據處理應用。＼&課程分析＼&學習本實驗課程的學生，主要是在校大學生，他們來自不同的地域，在高中學習物理的基礎各不相同，各自的學習能力及個性都存在差別，而且，對信息技術的掌握也有很大的差異，來自經濟發達的地方明顯比經濟落后的地方的學生掌握的更多更好。但是，經過大一一個學年的學習，對于物理基礎實驗，信息技術基礎知識，掌握都有較大的提升，大部分同學對本實驗的開展，障礙都不大 [3]。＼&教學方式＼&自學、課堂講授、網絡學習。＼&學習活動＼&預習并做預習報告、資料收集、討論交流、自主學習、協作學習、課堂講授、問題解決、思考作業等。＼&學習資源 ＼&自編教材《大學物理實驗教程》；視頻資料；網絡資料。＼&]

2.2 《楊氏模量的測量》課程教學目標

根據信息融合教學模型要求，制定教學目標（如表 2 所示）：

2.3 《楊氏模量的測量》活動設計

根據信息融合學習的理論基礎，針對《楊氏模量的測量》實驗課程的內容，筆者對信息融合學習活動進行了設計，具體設計詳見圖1 所示。

2.4 《楊氏模量的測量》實驗的學習支持

本實驗的學習支持，主要是大學生物理實驗中心的實踐教學網和海量互聯網資源。在課前，要求學生瀏覽學院實驗中心的網站，并觀看《楊氏模量的測量》的相關教學視頻，同時，通過互聯網，查閱實驗相關的資料，了解本實驗課程的大量背景知識。

在正式課堂教學時，老師先收取學生預習報告，并提問學生，檢查是否達到要求。在實驗教學過程中，首先，對實驗原理做簡要說明，然后對測量過程進行講解，重點突出實驗的注意事項，儀器調整的步驟，和關鍵環節；其次，跟蹤學生實驗過程，發現學生出現的誤操作和不明白的地方，提供適當幫助。當然，教師要盡量少參與學生的實驗過程，鼓勵學生多獨立思考，培養獨立解決問題的能力。楊氏模量的測量實驗過程繁瑣，步驟多，需要學生有耐心地學習與操作，鼓勵學生，增前自信，相信自己能順利把實驗完成。

在課后，要求老師及時和同學們交流，這可以充分利用信息技術的優點，運用QQ、微博和E-mail等形式與學生互動，利用這些工具可以及時了解學生實驗后，對知識的掌握程度，了解學生作業情況，還可以進行課后答疑等。同時，還可以啟發學生利用互聯網進一步學習楊氏模量的測量的最新進展以及應用情況等[4]。

2.5 教學評價

《楊氏模量的測量》教學評價，從以下幾方面來開展：

1）實驗的預習情況。

2）實驗過程，學生紀律，操作規范和數據收集合理性。

3）實驗報告完成情況，數據處理是否正確。

4）實驗效果分析。

3 實驗的效果分析

在信息融合學習課程實施結束后，我對學生學習情況進行了全面的調查分析，把實驗組和傳統組的學生對照分析，發現兩組學生在諸多方面存在差別。

3.1學生對學習課程的滿意度顯著提高

我們發現，實驗組學生對學習的課程滿意度顯著提高，說明信息融合學習模型的實施是有效的。傳統組學生比較對照組后，我們可以發現，傳統組學生對學習過的課程滿意度無明顯變化。

在實驗課程結束后，采用自編的里克特量五點問卷對學生進行測量。主要針對學生的創新能力、學習認可、研究能力、與人溝通能力、總結歸納能力等情況進行測查。

表3是實驗組與傳統組學生對課程實施后的滿意度評估結果。實驗組的總體評價為 3.68，顯著超過平均水平，說明新方法的實施情況是非常有效的，但在創新能力條目上的得分為 2.12，略低于平均水平，分析原因，可能是因為本次研究的時間較短，課程實施只有 8 周時間，而創新能力的提高不是一蹴而就的，需要長期的積累，或許課程實施時間的增強，可能會繼續提高，而傳統組的總體評價為2.53，顯著低于平均水平，說明傳統方法不適合當前學生的學習，經過統計檢驗發現，實驗組與傳統組之間存在差異，而且差異非常顯著[5]。

3.2 知識和操作能力有顯著提高

實驗組學生不但能夠很好地掌握課程的基礎知識、很好地完成作業，而且會利用互聯網資源擴展知識進行深入學習，能夠順利地運用知識解決問題，實驗操作能力有顯著提高，明顯達到了新教學模型實施之前的理想標準，而傳統組學生在基礎知識理解、擴大知識與實驗能力方面的效果不理想[5]。

3.3自學能力有了明顯的提高

自學方面，老師可以利用網絡平臺，指導學習在線學習，擴張了學習的時空范圍，有效提升了學生的自學能力。訪談調查發現，實驗組學生的自主學習能力都較高水平，說明實驗組學生的自主學習能力得到了提高，而傳統組學生的自主學習能力沒有顯著影響。

3.4互相協作學習的能力提高顯著

信息融合學習模型中互相協作學習能力是其要求達到的教學目標之一，學習效果的進步快慢，互相協作學習是十分重要的促進手段，需要得到不斷加強。調查說明，實驗組學生的互相協作學習能力的總體水平較高；傳統組學生的互相協作學習能力的總體存在不足，說明學生的這兩方面的能力存在較大的差異。

3.5 新教學模型實施效果的總體評價

在實驗組中，學生對教學的各個方面比較認同，如：學習模式、總結歸納能力、溝通能力以及研究能力，這從表3.1中的數據也可以反映出來，這幾項指標均高于平均值。而在傳統組中，從表3.1中反映各種指標均不理想，集中反映了傳統教學模型認可度較低，有較大的提升空間。

3.6新教學模型實施后的實驗成績比較

總成績=課前預習*20%+課堂表現*10%+實驗報告*30%+期末考試*40%，其中期末考試是采用抽簽的方式抽取一個實驗，把整個實驗過程完整地操作一遍。結果，實驗組的總平均成績是86.58，傳統組的總平均成績是74.31，經統計檢驗發現，實驗組與傳統組的期末總平均成績存在差異，而且差異非常顯著，說明在大學物理實驗課程的教學中，信息融合學習模式比傳統方式優越。

參考文獻：

[1] 黃榮懷.教育信息化助力當前教育變革：機遇與挑戰[J].中國電化教育，2011（1）： 36-40.

[2] Barohny Eun， Steven E Knotek. Reconceptualizing the Zone ofproximal Development： The Importance of the Third Voice.Educational Psychology Review， 2008（10）： 133-147.

[3] 何克抗.從Blending Learning 看信息技術理論的新發展上[J].中國電化教育，2004（3）： 5-10.

楊氏模量的測定范文第3篇

關鍵詞：工科院校；物理實驗；教學分析

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0254-02

隨著科技發展，社會對大學生的需求也相應地轉變為培養應用型人才，高校對大學生的培養逐步轉變為應用型人才的培養模式。高校開設實驗與實踐課程，主要培養和提升學生的動手能力、探究能力與創新能力。

大學物理實驗是學生在高校首先接觸到的實踐課程，被作為基礎必修課，是大學生鍛煉能力的敲門磚，起到關鍵性的引導作用。通過完成一定數量的實驗，學生能掌握物理實驗基本知識，學會一些物理量的常用測量方法、常用儀器使用方法和原理，培養和提高學生的動手能力，學會用實驗去觀察、分析、研究物理現象和物理規律并加深對理論知識的理解，學會對實驗數據的處理及誤差分析，養成良好的實驗習慣和嚴謹的科學作風，為后續的實驗課程打好基礎。

對此，很多高校注重物理實驗，采取許多措施，注重物理實驗從演示型實驗轉變為探索性、設計性實驗。但從目前學生的狀況來看，教學實踐中會忽視一些問題。

一、被忽略的問題

1.忽略學生的理論基礎是否牢固。我們往往強調物理學從本質上說是一門實驗科學，物理規律的發現和理論的建立必須以嚴格的物理實驗為基礎，受到實驗的檢驗，強調實驗的重要性。實驗固然重要，通過實驗，我們可以發現全新領域，開拓新的篇章，但我們容易忽略要想通過實驗達到新的領域，必須有一定的基礎知識。如果沒有扎實的基礎知識，只是一味地做實驗，想必不會發現其中的奧妙。畢竟，大學生初步接觸物理，不像研究者那樣發現新規律或現象，而是先來學習已經知道的知識，在此基礎上，對問題進行研究。例如，沒有學過電磁波，打電話時不會發現電磁波的存在；沒有學過干涉現象，對陽光下肥皂泡沫上的美麗圖案，不會明白它是有規律可循的。

2.忽略培養學生基本的實驗習慣和素養。物理實驗是大學生首先接觸的實驗課程，物理教師對學生實驗習慣的培養起到關鍵作用，如果起初沒有養成習慣，學生容易形成對實驗不重視的態度，課前不預習，課堂走過場，課后不認真處理報告等，后來想根本糾正會比較困難。不良習慣已經養成，在專業領域是一個致命傷。尤其對工科院校的學生來說，優良習慣尤為重要。比如，工科院校制冷專業、建筑專業、汽車專業、機械專業，沒有在設計或實驗實踐中養成良好的習慣修養，在以后的工作中，可能會因一個小數點，造成無法估量的損失。

3.忽略學生的整體水平。對物理實驗的課程內容設計，尤為重要。在這一這方面，在現今講究效率的時代，大家往往要求的是時效，應用型人才更被重視，看重的是培養學生的探索能力和創新能力。但在教學改革時，我們容易忽略不同院校的學生，整體水平是不一樣的。探究性、設計性實驗，要在學生擁有一定的基礎實驗能力和基礎知識的基礎上才能進行操作。

4.在實驗考核過程中，忽略考核的正式性。目前，實際操作環節采取抽簽方式進行考核。考核過程中，有些教師僅注重學生最終測量結果，往往忽略過程中的細節問題。比如，在做拉伸法測定金屬絲楊氏模量實驗中，往往忽略楊氏模量測定儀水平調整，忽略此實驗中的測量數據是不是和要求的對象相符合。例如，測量D時，實際表示是望遠鏡的標尺到平面鏡的垂直距離，但有的學生在考核中測量的對象是望遠鏡鏡頭到平面鏡的垂直距離。這些細節，在重視測量結果中不會被發現。

二、采取的措施

針對這些問題，在開設物理實驗課時，應引起重視，采取相應措施，讓學生真正地從物理實驗課有所收獲。

1.當前學習認知比重大于探究。學生要先學習已有物理知識，然后再進行物理實驗。大學生處在認知時代而不是探索時代，要先學好已有知識，打好堅實理論基礎，再進行物理實驗，效果會事半功倍。比如，規則形狀物體的密度測量實驗，需要學生首先了解相關理論知識ρ=■、體積計算知識，然后才能進行相關實驗測量。在牛頓環的實驗中，學生如果之前在理論上沒有了解干涉現象、等厚干涉，想必對牛頓環現象及牛頓環儀的應用也不會有很深刻的理解。所以，對高校學生來說，要給予了解與重視。對大學物理實驗，打好物理基礎知識，尤為重要。

2.大學物理實驗課的要求和注意事項要明確。對實驗的相關章程和注意事項，要重點強調，可引起學生注意。每堂實驗課要針對相應基本要求和注意事項進行嚴肅強調，循序漸進地引導，讓學生在教師的潛移默化中養成良好的習慣。

大學物理實驗的基本要求是：

（1）能夠完成預習，進行實驗和撰寫報告等主要實驗程序。

（2）能夠調整常用實驗裝置，基本掌握常用的操作技術。例如：零位調整；水平、鉛直調整；光路的共軸調整；根據給定的電路圖正確接線等。

（3）了解物理實驗中常用的實驗方法和測量方法。例如：比較、平衡和干涉等方法。

（4）能夠進行常用物理量的一般測量。例如：長度、質量、時間、熱量、溫度、電流強度等。

（5）了解常用儀器的性能，學會使用方法。例如：測長儀器、變阻器、直流電表、通用示波器、低頻信號發生器、常用電源和常用光源等。

（6）了解測量誤差的基本知識，具有正確處理數據的初步能力。其中包括：測量誤差的基本概念；直接測量量的誤差計算；數據處理的一些基本方法。

（7）實驗過程中要愛護儀器，謹記注意事項，實驗結束后要排好儀器。這一點，在目前的大學物理實驗中，學生的重視度不夠。例如，在拉伸法測定金屬絲楊氏模量實驗時，要用到螺旋測微計來測量金屬絲的直徑d，教師在講解中強調螺旋測微計精度很高，如果直接旋轉微分筒壓被測物體，物體容易變形，造成誤差，所以當旋轉微分筒剛接觸被測物體時，改用棘輪轉動。當剛聽到棘輪發出咔咔聲時，表明物體被剛好壓住，既不松也不緊，應開始測量。如再接著旋緊，會造成測微螺旋與被測物體受損。但在實驗過程中，經常能聽到螺旋測微計發出連續的咔咔聲，表明學生對此要求重視度不夠，沒有養成良好的習慣。

因此，大學物理實驗中，每做一個實驗，教師都應反復、詳細而嚴肅地說明與強調，增強學生的重視度，養成良好的實驗習慣，逐步形成求實、嚴謹的態度。

3.大學物理實驗大多開設在大一下學期或大二上學期，此階段學生對知識的掌握還不夠熟練與靈活。因此，對大學生而言，更容易接受測量性實驗、驗證性實驗。所以，在物理實驗內容設計上，要有層次性。例如，對于拉伸法測定金屬絲的楊氏模量實驗、三線擺測定剛體的轉動慣量的實驗，學生更容易接受。通過開設這些實驗，學生會發現物理實驗是比較容易做的，愿意學習。如果我們只注重探索性能力和創新性能力的培養，設計的實驗難度較大，如分光計實驗，學生不明白偏向角測量及相應原理，會覺得物理實驗難度大，不能理解，對物理實驗課積極性不高，興趣被削弱，主動性變差，實驗課就只是在走過場，就談不上提升學生的探索、創新能力了。

為了避免這種情況的發生，設計實驗時應遵循如下比例，比例設計得好，會引起學生興趣，他們自然會表露出求知欲、探索欲，在無形中完成思考與創新。從調查情況來看，學生希望實驗開設比例如表1所示。

4.大學物理實際操作采用具體提問環節，使考試正式化，讓學生重視操作過程，而不是走形式。在實際考核中，應每人一組，限定時間考核，操作實驗結束后，教師在觀察的基礎上，對具體操作進行提問，根據學生回答的項目點給予相應分數。在物理實驗開課初期，教師應告知學生這種操作考核方式，提升學生對實驗課的重視度，督促養成良好習慣。

三、結束語

大學物理實驗課程的開設，使學生對理論知識有了進一步的深刻理解與認識。在開設過程中，重視細節設計，重視學生處于基礎層面的狀態，采取相應措施，設計合理內容，讓學生在扎實的基礎功下，循序漸進、潛移默化地在大學物理實驗課上培養好的習慣與素養，從而培養啟發、探索、創新能力。

參考文獻：

[1]劉勇.物理實驗教學淺談[J].考試周刊，2008，48（214）.

楊氏模量的測定范文第4篇

關鍵詞：剪切波彈性成像；甲狀腺結節；超聲

臨床上甲狀腺結節越來越常見，通過超聲檢查獲得的甲狀腺結節的患病率為20%～76%。但是，其中惡性病變僅占結節性病變的9.2%～14.8%[1]。我們常規超聲檢查依據的TI-RADS診斷標準進行分類，發現TI-RADS 4級的結節數量較多，達不到很好的指導臨床效果。實時剪切波彈性成像 （shear wave elastography，SWE）通過測量剪切波在組織內的傳播速度計算彈性模量值，能定量評價結節的硬度，為我們判斷結節性質提供了一種新的技術。

1 資料與方法

1.1一般資料 2015年2月～2016年1月在核工業四一六醫院經超聲檢查發現的甲狀腺實性結節，并且經超聲引導下穿刺活檢或手術病理證實的患者69例，其中女41例，男28例，年齡16～69歲。

1.2方法 使用法國Supersonic imagine公司推出的 Aicplorer 型實時剪切波彈性成像超聲診斷儀，配置有L4-15線陣探頭，頻率 4～15MHz。患者仰臥位，充分暴露頸部，于病灶皮膚處涂抹適當厚度耦合劑，輕置探頭，盡量不施壓，選定取樣框，覆蓋病灶，待圖像穩定后定幀、存儲，凍結圖像時囑患者屏氣，靜置圖像不低于3s。每個結節做出三個SWE圖像。彩色量程圖標顯示的單位為kPa，默認量程為0～180kPa。取三次Emean的平均值并記錄。

1.3統計學方法 采用SPSS18.0統計軟件，計量資料（Emean）以（x±s）表示， 良、惡性結節的彈性模量值比較采用t檢驗，P

2 結果

2.1病理結果 69個甲狀腺結節中，良性結節44個（甲狀腺腺瘤17個，結節性甲狀腺腫27個）惡性結節25個（狀癌23例，髓樣癌2例）

2.2良惡性結節的平均彈性模量值Emean的比較 惡性結節的彈性平均值（Emean）為（89.4±69.1）kPa，良性結節彈性平均值（Emean）為（24.2±13.1）kPa。良性結節的Emean低于惡性結節，差異有統計學意義（P

3 討論

SWE的基本原理是采用探頭發射安全的聲輻射脈沖，在組織內連續聚焦引起組織微粒振動并產生橫向剪切波，可對被檢測組織的剪切波速度（shear wave velocity，SWV）進行精確的定量測量，從而實現掃查切面內剪切波傳播過程的實時準確監測；彈性模量值的計算公式為 E=3×組織密度×剪切波速度？即得到組織彈性的絕對值，實現定量分析[2]。同時對SWV進行彩色編碼疊加于二維解剖圖像上，從而形成活體組織的實時剪切波速度圖。不僅實現了聲波下的觸診，而且是目前唯一能測定表示組織絕對硬度--楊氏模量值的系統，具有客觀、重復性好、受操作者影響小等優點[3]。生物組織的彈性（或硬度）與病灶的生物學特性緊密相關，通常病理情況下組織的彈性（或硬度）會發生改變，如惡性病變常導致彈性特性的改變，組織硬度相應增加，彈性系數增大，其原因主要是惡性病灶主要有堅硬的病變組織組成，且呈浸潤性生長，邊緣呈星狀或蟹足狀，與周圍組織相粘連。

在依據TI-RADS診斷標準進行分級時，我們依據結節的邊界、形態、回聲及有無砂礫樣鈣化來進行判斷。其中邊界是否清楚、形態是否規整與操作醫生的個人感覺及對機器的調節有關，回聲低的程度及鈣化是否粗大也存在著一定的主觀因素，因此，TI-RADS分級的精確程度而SWE可以定量分析，來對甲狀腺結節的良惡性進行提示。本研究結果顯示，良性病灶的彈性模量明顯低于惡性病灶，與國內外研究一致[4]。

綜上所述，實時剪切波彈性成像在對甲狀腺實性結節良惡性判定上是一種可靠的方法，通過對硬度的判斷，可以對TI-RADS分級進行補充，對4級結節進行重新分類，更好的指導臨床，值的我們在工作中去推廣應用，降低一些不必要的穿刺、手術，給臨床治療方式的選擇提供進一步的參考。

參考文獻：

[1]C.Oliver， F.Sebag. What is the contribution of elastography to thyroidnodules evaluation？ Annales d，Endocrinologie， 2011（72）：120- 124.

[2]湯喬穎，鄧又斌，劉琨，等.實時剪切波彈性成像測量豬離體心臟心肌剪切模量[J].中華超聲影像學雜志，2012，21（8）：708-710.

楊氏模量的測定范文第5篇

在制備涂層的材料熔融、沉積過程中，由于粉末顆粒本身的淬火應力、其對已沉積涂層的沖擊應力以及涂層與基體材料在熱-機械性能方面差異造成的失配應變和熱梯度效應，某些情況下還有后續加工和服役環境的作用，都會使涂層內不可避免地出現或大或小的殘余應力。已有研究表明，殘余應力的大小和分布嚴重影響著涂層零件整個體系的主要性能，如基體疲勞壽命、涂層結合強度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環疲勞等性能，導致涂層開裂、翹起、剝落和分層，因此殘余應力對涂層質量、使用性能、涂層構件精度和尺寸穩定性等都有重要影響，甚至導致涂層零件過早失效。

理論認為當殘余應力超過涂層彈性極限時，拉伸應力會在垂直方向導致涂層開裂；一定的壓應力是有利的，因其能使涂層裂紋閉合，改善疲勞性能，但壓應力過大會導致涂層粘附性失效。在實際涂層生產中，殘余應力的產生及其影響非常復雜。對于熱噴涂涂層，其殘余應力與噴涂氣體流速、基體溫度、涂層/基體體系的溫度梯度、涂層材料性能、送粉速率、零件尺寸和幾何形狀、夾具、冷卻、噴槍相對于零件的表面速率、走槍路徑、涂層與基體厚度、彈性模量、熱膨脹系數、熱導率等諸多因素密切相關。

基體預處理、涂層后續加工及其服役工況對殘余應力也有很大影響。例如表面粗糙化預處理可以提高界面結合強度，然而粗糙界面復雜形貌容易出現垂直于界面的殘余拉應力，導致涂層破裂和剝離。精密磨削時，砂輪磨粒鈍化導致小平面磨鈍，使磨粒產生垂直于涂層表面的作用力，該力和摩擦力同時對涂層表面產生擠光作用，使涂層表面形成壓應力。砂輪黏結劑對殘余應力也有影響。

殘余應力還與涂層零件的結構和噴涂區域有關。圓周噴涂的軸類零件或環形件，涂層結合強度足夠大時，涂層破壞以開裂形式為主，其裂紋走向為圓周方向，也有軸向裂紋擴展的現象。小型零件內孔表面噴涂涂層，在噴涂、加工或試車考核等階段都會出現整體涂層剝落的嚴重質量問題。對于薄壁件，涂層應力導致零件變形，對涂層零件尺寸精度造成影響，嚴重時會使零件超差報廢。

機械式應力檢測技術

（1）曲率檢測技術

曲率檢測技術的優點是試驗設備簡單，可以直接測定涂層殘余應力，其原理是在基體上生成涂層時產生的殘余應力導致曲率變化，通過曲率變化可以計算殘余應力大小，一般采用Stoney方程計算殘余應力。Stoney方程的優點在于只使用基體彈性模量，不使用涂層彈性模量，從而解決了涂層彈性模量受各種噴涂參數的影響而比較難以準確測量的問題。Gill和Clyne對曲率法做了較大改進，其一是將攝像進行曲率遠程監測的方法用于真空等離子噴涂涂層的過程控制；其二是開發出數值計算程序，可以對不同曲率形狀產生的殘余應力進行計算，并區分噴涂粉末顆粒淬火應力和熱膨脹系數差異導致的失配應力。

曲率檢測技術可以分作接觸和非接觸兩種方法。接觸方法主要有應變儀和輪廓測定法，非接觸方法主要有光學、激光掃描、柵格和雙晶衍射拓撲法。應變儀法就是用電阻應變片測量噴涂前后試樣的曲率變化，通過曲率變化計算涂層殘余應力分布及大小。將試樣制備成窄條狀，以避免產生多軸向曲率和力學不穩定性。但是如果涂層相對基體過薄就不能反映出正應力的變化梯度，因此該方法主要適用于比較薄基體表面涂層的情況。

曲率法測試的結果是平均應力，精度比較低（±30MPa），只能粗略測量厚度方向的平均殘余應力，并且對試樣形狀和尺寸限制很嚴。如果可以對基體表面涂層進行逐層剝離測量，則可以測定整個涂層厚度范圍內的殘余應力詳細數據，但是對于多層或者較厚的涂層則非常困難。另外單純使用傳統曲率檢測技術時，難于測量小曲率試樣，需要對測量技術和計算方法進行改進。

（2）鉆孔檢測技術

又稱盲孔法和套孔法，是目前應用廣泛的涂層面內殘余應力測量方法。鉆孔檢測的原理是將特制箔式應變花粘貼在涂層表面上，在應變花中心鉆一直徑和深度接近的小孔，產生局部應力釋放，釋放的應變可由連接各個應變片的應變儀測讀出來。通過修正的Kirsch彈性力學公式則可得到在孔深范圍內的平均主應力和主應力方向角，反映厚度大于0.3mm涂層的各向異性。該技術測量手段簡單，成本低，測量精度高，已成為一種標準測試方法并在工程實際中廣泛采用。美國ASTM E 837《鉆孔應變儀測量殘余應力》標準規定了殘余應力測試方法、要求及其相應的鉆孔程序。

鉆孔檢測技術的缺點是被測涂層表面遭到鉆孔破壞，且鉆孔常引起材料損傷和屈服，改變局部應力狀態，另外涂層去除均勻困難，以至于影響殘余應力的測量效果。

（3）逐層剝離檢測技術

該方法是先在方形試片上噴涂涂層，然后對在涂層拋光剝離前、數次剝離過程和剝離后的試樣進行應變測量得到涂層的殘余應力。美國金屬學會（ASM）所屬的熱噴涂學會負責編制了《逐層剝離修正法評價熱噴涂涂層殘余應力》作為噴涂行業使用的涂層機械性能測試標準。該文件給出了試樣制備、需要的設備、使用應變規的程序、逐層磨除涂層的程序以及為了計算殘余應力而進行數據處理的方法。

光學式應力檢測技術

（1）X射線衍射檢測技術

X射線衍射法“sin2ψ”是測定涂層殘余應力最可靠和最實用的一種檢測方法。自1971年美國汽車工程師學會頒布X射線衍射殘余應力測定的行業標準SAE J784a-1971“Residential Stress Measurement by X-Ray Diffraction”和1973年日本材料學會頒布國家標準JSMS-SD-10-1973“Standard Method for X-ray Stress Measurement”以來，作為一種無損檢測技術，測定殘余應力的X射線衍射檢測技術得到了越來越廣泛的應用，技術手段也日漸成熟。為反映最新的技術進步和成熟的測定方法，歐盟標準委員會（CEN）于2008年7月批準使用新的X射線衍射殘余應力測定標準EN 15305-2008“Non-destructive Testing： Test Method for Residual Stress Analysis by X-ray Diffraction”， 該標準于2009年2月底在所有歐盟成員國正式實施。與之相呼應，美國試驗材料學會（ASTM）也2010年7月了最新X射線衍射殘余應力測定標準ASTM E915-2010“Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement”。EN 15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層等被測材料的特性進行了詳細說明。

我國在1987年和實施《X射線應力測定方法》（GB/T 7704-1987）標準，2009年則實施《無損檢測 X射線應力測定方法》（GB/T 7704-2008）新標準，但該標準沒有針對涂層特殊結構材料測定殘余應力的相關規定，而在國外，X射線衍射技術在上世紀80年代初就被用于噴涂涂層殘余應力的檢測。

X射線衍射測量應力的基本原理是由于殘余應力的存在引起晶格畸變，使得晶格常數發生變化，根據Bragg衍射公式確定涂層材料的晶面間距后，再通過材料的彈性特征參數按下列方程式求得殘余應力：

式中，E為涂層材料的楊氏模量，ε是涂層應變，ν為泊松比，d0和d分別為理想態和應力狀態的晶面間距。

X射線衍射檢測技術對涂層表面應力敏感，是一種無損的測試方法，對試樣尺寸和形狀要求不嚴格，且可以直接對零件測量，加上測量手段簡單，準確度較高，因此在熱噴涂涂層研制和生產中得到了廣泛的應用。其獨到之處是能夠同時測量涂層中不同相的殘余應力，如WC-Co涂層表面應力表現為壓應力，且涂層中各相的殘余應力水平及狀態不同，WC和W2C相為壓應力，且W2C相殘余壓應力水平大于WC相；而CO6W6C相則表現為拉應力。使用掠入射XRD方法還可以測量薄涂層或者厚涂層表面淺層的應力，即其檢測深度可以為1μm的薄層。

XRD方法一般適用于具有良好晶體結構的材料，當晶粒尺寸很小時會導致衍射峰值變寬，影響測試結果精度。EN 15305-2008歐盟標準對涂層材料和薄層特性的說明認為，在測試薄層時可能會遇到衍射強度低和/或晶粒數量不足、由多層材料導致的額外衍射、與基體材料的衍射峰重疊、陡的應力梯度以及強烈的結構等問題，同時涂層材料的X射線彈性常數值可能會與大塊材料不同。另外由于X射線的穿透能力較低，測量深度一般約為10～50微米，因此僅能測試樣品表面較薄一層的殘余應力，涂層增厚會造成測試結果誤差。

（2）中子衍射檢測技術

該技術是以中子流為入射束，照射涂層表面產生衍射峰。其原理與X射線衍射基本相同，即根據衍射峰位置的變化，利用布拉格方程式計算晶格應變量并算出殘余應力值。與X衍射相比，中子衍射檢測技術由于中子穿透的深度較大，可測量涂層深處的殘余應力，在一定程度上彌補了X射線衍射穿透能力的不足。然而由于中子射線散射強度較低，收集信息速率慢，另外可利用的中子源較少，這些不利因素成為中子衍射檢測技術在涂層殘余應力研究中應用的障礙。

（3）散斑干涉檢測技術

散斑干涉記錄隨機分布的散斑場，定量分析散斑場的變化。要求被測量的物體表面是漫反射表面。相干光照射到漫反射表面后的反射光干涉形成散斑，記錄散斑場就可得出位移的變化值。Habib利用錯位散斑干涉檢測技術測量了溫度變化造成金屬與涂層之間變形的差異。

（4）光激發熒光譜（PLPS）技術

光激發熒光譜技術是利用Al2O3內痕量Cr3+在光激發態的d3電子衰減發出熒光，這種譜線稱為光激發熒光譜。不同的Al2O3相結構，其Cr3+離子占據的空間位置不同，相應的熒光譜線也不同，d3電子衰減發出的熒光產生雙峰型特征熒光譜R1和R2，在無應力狀態下其頻率位置分別為14402和14432cm-1。熱生長α-Al2O3膜中存在應力會造成譜線頻率位置的偏移，根據這些偏移值可以計算膜內應力。該技術的優勢在于其分辨率高，缺點是只能測量含有Cr3+涂層或區域的殘余應力。

（5）顯微喇曼光譜技術

采用幾微米的激光束作為激發源，可以測量殘余應力的微觀分布。其物理原理是，單色光束照射固體時，光子與物質分子相互碰撞引起光的散射。喇曼散射線與入射線波長稍有不同，波長短于入射線者稱為反斯托克斯線，反之為斯托克斯線，其中發生非彈性碰撞而散射的光束經分光后形成了喇曼光譜，這是含有物質特征信息的光譜。如果物體存在應力，喇曼光譜中某些對應力敏感的譜帶會產生移動。當物質受壓應力作用時，譜帶會向高頻方向移動，受拉應力作用時譜帶向低頻方向移動，且頻率改變與所受的應力呈正比關系。

試驗中通常以激光光束為激勵光源，采用顯微光學系統對喇曼光譜進行觀察，因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術。該檢測方法的空間分辨率可達到幾個微米，檢測范圍僅是被測對象表面及其以下約50納米的范圍，檢測精度非常高，適用于較薄的涂層。但是激光會導致涂層表面溫度升高，因此要求被測涂層具有一定的耐熱性能。

模擬計算技術

隨著計算機計算能力的不斷增強，數字模型，包括有限元模型，成為一種日益強大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應變衍生過程的計算工具。有限單元法的基本思想是將連續的結構體離散為有限個單元，并在每一個單元中設定有限個節點，將連續體看作是在節點處相連接的單元集合體；將場函數的節點值作為基本未知量，并在每一單元中假設近似插值來表示單元中場函數的分布規律；利用力學變分原理來建立求解方程，以將一個連續域中的無限自由度問題化為離散域中的有限自由度問題來分析。ABACUS是HKS公司開發的一套功能強大的有限元工程模擬軟件，被認為是功能最強的非線性CAE軟件，它擁有豐富的單元庫和與之相應的材料模型庫，可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰性的非線性模擬等多種問題，基本可以模擬計算任意實際形狀、多種材料復雜結構的力學、熱學和聲學等方面的問題。在國外已廣泛應用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個行業。另一種使用廣泛的有限元計算軟件為ANSYS模擬軟件。

有文獻描述了噴涂態涂層內殘余應力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統時，需要有正確的材料數據、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網格單元以及不同試驗條件下的邊界假設。對于熱障涂層，將熱生長氧化物、陶瓷面層及基體層視為彈性和黏性材料，黏結層則為彈性和黏性-塑性材料。其材料物理數據包括面層、熱生長氧化物、粘結層和基體的熱膨脹系數、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數，另外還要具備不同溫度下的黏結層應變-應力數據。在上述工作基礎上，給出熱載荷及邊界條件，進行網格及其構成元素設計。

有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進行模擬計算，揭示表面粗糙度、溫度等關鍵因素對涂層殘余應力影響的熱-機械變化過程。已有的有限元模型計算結果表明，在涂層厚度方向內存在應力梯度，即從涂層表面向內殘余應力逐漸演變為面內壓應力。基體溫度對應力影響明顯，噴涂過程中基體溫度升高，面層內殘余應力會從拉應力向壓應力轉變。另外，殘余應力與涂層熱歷史密切相關，在涂層體系熱循環過程中，由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金黏結層蠕變作用，殘余應力高溫松弛，則在涂層體系冷卻到室溫過程中，因為基體與陶瓷層熱膨脹系數差異而導致面內二維壓應力增加。

作者簡介

袁福河，研究員級高級工程師，中航工業一級專家，現在中航工業黎明從事航空發動機涂層噴涂和物理氣相沉積涂層技術的工程應用工作；

王少剛，研究員級高級工程師，現為中航工業黎明副總經理，總工程師，主持和管理航空發動機制造技術工程應用方面的工作；