Лабораторная работа "Определение модуля Юнга"
методическая разработка по физике (10 класс) на тему

Лабораторная работа № 3

Измерение модуля упругости (модуля Юнга) резины

Цель работы: Экспериментально определить модуль упругости материала.

Оборудование: штатив, набор грузов по 100 г, резиновый образец, измерительная линейка .

Указания к работе:

Если к резиновому образцу, закрепленному на одном конце, приложить силу F вдоль оси, то образец подвергнется деформации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют    абсолютным    удлинением     Δl=l - l0;    относительным    удлинением    .  В деформированном теле возникает механическое напряжение σ, равное отношению модуля силы F к площади поперечного сечения тела S: .

На упруго деформированные тела распространяется закон Гука: при малых деформациях механическое напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению:

Коэффициент пропорциональности Е, входящий в закон Гука, называется модулем упругости или модулем Юнга. Модуль Юнга показывает, какое механическое напряжение возникает в материале при относительной деформации равной единице, т.е. при увеличении длины образца вдвое. В данной работе надо определить модуль упругости Е (модуль Юнга) резинового образца. При выполнении работы надо учесть, что сила упругости в деформированном теле численно равна силе тяжести груза, подвешенного к резиновому образцу. Модуль Юнга характеризует упругие свойства материала. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Поскольку модуль Юнга входит в закон Гука, который справедлив только для упругих деформаций, то и модуль Юнга характеризует свойства вещества только при упругих деформациях.

Модуль Юнга вычисляют по формуле , полученной из закона Гука. Здесь Е—модуль Юнга; F—сила упругости, возникающая в растянутом шнуре и равная весу прикрепленных к шнуру грузов; S -площадь поперечного сечения деформированного шнура; l0 расстояние между метками А и В на нерастянутом шнуре (рис 1, б); l - расстояние между этими же метками на растянутом шнуре (рис 1, в). Если поперечное сечение шнура имеет форму прямоугольника, то площадь сечения выражается через формулу S = a b (1). Способ измерения ширины и толщины резинового образца изображен на рис 2. Окончательно формула для определения модуля Юнга имеет вид:  (2).

Рис.2

(способ измерения ширины (а) и толщины (в) резинового образца с помощью линейки)

Рис.1

Относительная и абсолютная погрешность измерений модуля Юнга определяются по формулам

        (3),          (4).

Подготовка к выполнению работы:

1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.
2. Соберите экспериментальную установку.
3. Нанесите карандашом метки на резиновом образце (10 см).

Проведение эксперимента, обработка результатов измерений:

1. Измерьте расстояние между метками А и В на нерастянутом шнуре.
2. Пользуясь рис.2, определите ширину и толщину резинового образца, наматывая образец слегка растягиваем его.
3. Подвесьте к резине груз массой m = 100г. Измерьте линейкой новое расстояние между метками А и B.
4.  Повторите измерения с разными массами грузов.
5. Подставив в формулу (2) найденные значения, вычислите модуль Юнга резины.
6. Найди среднее значение модуля упругости и оцените абсолютную и относительную погрешность измерений.
7. Запишите полученный результат: Е = Епр ± ΔЕ, ε = …. %. Сравните этот результат с табличным.

Контрольные вопросы:

Почему модуль Юнга выражается столь большим числом?