大学物理实验课程的通识教育探究——以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例

“大学物理实验”课程是理工科学生较早接触的实验操作类课程,涵盖了力学、热学、电学、磁学、光学等多个分支领域。华东师范大学大学物理实验教学团队在实验教学中坚持将学科知识和通识元素有机融合,将综合育人的理念贯穿始终。本文以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例,从“实验背景、目标要点、通识融入、案例挖掘”入手,探讨如何在大学物理实验教学过程中实施通识教育,以期兼顾“授业解惑和传道育人”,践行立德树人的教育初心。

平行级联光杠杆测量金属丝杨氏模量

光杠杆能放大微小变化量,在原子力显微镜,精密天平和杨氏模量测量等领域都有重要的应用。级联光杠杆能够在有限空间内提高传统光杠杆的放大倍数而受到广泛关注,但仍存在不容易确定反射级次,入射光与光杠杆倾斜平面必须有一定初始夹角等问题。平行级联光杠杆通过在垂直于光杠杆倾斜面的平面放置多个光杠杆,形成多次反射提高放大倍数,每个镜面进行一次反射,易确定反射级次,并且入射光与光杠杆倾斜平面可无初始夹角。研究分析了平行级联光杠杆的光路及测量原理,确定了计算公式,并通过测量金属丝杨氏模量进行了实验验证。利用望远镜观测的方法,通过三级平行级联光杠杆,放大倍数可达103.7倍,与单个光杠杆相比,提高了一个数量级。

纳米材料杨氏模量的尺度依赖性

【目的】纳米材料杨氏模量与其对应的大块材料的杨氏模量完全不同,并且具有明显的尺度依赖性,然而纳米材料杨氏模量随尺度的变化却是多样且复杂的。一些金属纳米材料杨氏模量随着尺度减小而增大,并高于块体杨氏模量值;而一些半导体纳米材料的杨氏模量却随尺度的减小而降低,且低于块体杨氏模量值。这种相反的变化趋势的原因却并不清楚。【方法】基于纳米热力学理论,以纳米材料结合能为基础,从原子势函数与材料杨氏模量的内在关系出发,引入反映材料原子键本质的参数,详细推导了纳米材料杨氏模量定量解析过程,阐述了金属、非金属等纳米材料杨氏模量值和其随尺度的变化规律;揭示了纳米材料表面模量、内部模量对体系杨氏模量的贡献,并利用材料参数阐明纳米材料杨氏模量与尺度、原子键的物理关系。【结果】所构建的理论解析模型对零维纳米颗粒、一维纳米线和二维纳米薄膜的杨氏模量都进行了成功的预测。

用光干涉和衍射装置替换光杠杆的杨氏模量测量方法

本文利用光的干涉原理和单缝衍射原理设计杨氏模量实验仪,根据光的干涉和衍射条纹的变化规律测量金属丝受拉力作用下的微小长度变化量,进而实现金属丝杨氏模量的高精度测量.为了满足光的干涉实验条件,采用气动拉力调节装置代替砝码,解决了仪器的晃动问题,并实现了拉力改变的无级调节和电子秤拉力直读,把传统的测量杨氏模量实验由一个单纯的力学实验变成了一个力学与光学相结合的综合性实验,丰富了实验内容,拓宽了学生的视野,提高了学生分析问题和解决问题的综合能力.

压水堆核电站完整和破损燃料棒硬度和杨氏模量研究

利用热室内金相显微镜、纳米压痕仪和拉曼光谱仪分别对燃耗为41 GW·d/tU破损棒和45 GW·d/tU完整棒的化学相互作用(FCCI)层、包壳及燃料芯块进行了表征分析。结果表明:完整棒燃料芯块外围硬度较小,其主要原因是芯块外缘出现了多孔隙的高燃耗结构(HBS);破损棒燃料芯块硬度则沿径向朝内整体呈下降趋势,这主要与燃料芯块孔隙率的变化和重构有关。燃料棒破损后,冷却水进入包壳芯块间隙与芯块发生反应,芯块外缘孔隙率显著降低,从而导致芯块外缘区域硬度较高;同时,气孔的迁移引起晶粒重构形成大尺寸柱状晶,造成破损棒燃料芯块中间和中心区域硬度下降且低于完整棒燃料芯块。燃料棒的破损不会改变芯块的相组成,因此完整棒与破损棒芯块的杨氏模量区别不大。完整棒FCCI层硬度沿包壳向芯块逐渐增加,杨氏模量则先减小后增加;破损棒FCCI层硬度先增加后减小,杨氏模量变化与硬度变化基本相似,该现象的出现可能源于FCCI层相结构的转变、辐照硬化和裂变产物掺杂的共同作用。燃料棒破损后包壳的氢化及氧化使得破损棒包壳硬度与杨氏模量均显著高于完整棒。

压缩率联合杨氏模量值对评估透析患者正中神经损伤的临床价值

目的:探讨正中神经压缩率联合杨氏模量(E)值在定量评价透析相关淀粉样变性(DRA)患者正中神经损伤中的临床价值。方法:回顾性分析2019年11月至2020年10月于首都医科大学附属北京朝阳医院血液净化科就诊的53例维持性血液透析(HD)患者作为病例组,另选取超声医学科门诊进行体检的60名志愿者作为健康对照组,收集其基本临床资料,根据体格检查的结果,53例透析患者中有体征患者18例,无体征患者35例。高频超声检查所有受试者腕管入口处及桡骨远端突出处正中神经的前后径,并计算其前后径压缩率(CR),利用剪切波弹性成像技术(SWE)测量卡压位置正中神经E。对比分析病例组和健康对照组之间以及病例组中有体征患者与无体征患者之间正中神经CR与E值的不同,并评价CR、E值及二者联合对正中神经损伤的诊断效能。结果:病例组正中神经CR及E值分别为(0.16±0.01)和(104.49±49.42)kPa,健康对照组分别为(0.07±0.05)和(42.47±15.64)kPa,病例组正中神经CR及E值均大于健康对照组,差异有统计学意义(t=4.92,6.39,P<0.001);病例组中有体征患者正中神经CR及E值分别为(0.31±0.09)和(150.58±47.71)kPa,无体征患者分别为(0.10±0.09)和(87.95±38.73)kPa,有体征患者正中神经CR及E值均大于无体征患者,差异有统计学意义(t=7.78,4.89,P<0.001)。HD患者的透析病程长短与正中神经E值及CR呈中度正相关(r=0.598、0.459,P<0.001)。应用受试者工作特征(ROC)曲线下面积(AUC)分析,诊断正中神经损伤的CR最佳截断值为21%,E值为76.22 kPa,CR的AUC=0.844,E值AUC为0.817,二者联合诊断AUC达到0.908,灵敏度100%,特异度89%。结论:正中神经压缩率和E值均可用于透析相关淀粉样变性患者正中神经损伤的评价,两者联合诊断效能更高,常规超声及SWE弹性成像技术可成为评价正中神经损伤的首选影像学方法。

采用安培力与偏振法测量杨氏模量

基于杨氏模量的测量原理,设计并搭建了新的实验装置.利用导电线圈对待测钢丝产生应力,采用偏振法测量相应的应变,测得钢丝的杨氏模量为(2.22±0.15)×10^(11)N/m^(2).测量装置小型化、精度高、易操作,并具有力、光、电、磁等多模块的知识整合,可以作为大学物理实验教学中的综合性探究实验.

基于位置敏感器件的杨氏模量测量

利用位置敏感器件将经典的拉伸法测杨氏模量中金属丝的微小伸长量转换成电压信号变化,再由放大电路放大后,经过数据采集卡接入计算机进行实时数据采集,实现了杨氏模量的数字化测量。实验运用了现代科技测量的新器件、新技术,将硬件和软件在传统物理实验上进行了融合,实验数据处理设计了代表性的最小二乘法线性拟合和逐差法进行处理,测量结果可靠,可作为一个典型的综合性物理实验进行教学推广和使用。

杨氏模量实验测量方法的改进

介绍了梁弯曲法测量杨氏模量的实验方法,并在该方法基础上采用LVDT电压位移传感器去测钢尺弯曲形变的同时,增加了利用光杠杆进行读数的方法,对两种测量方法测得的实验数据进行比对,得到利用LVDT电压位移传感器测量数据的方法有实验数据的波动小、精确度高,并且实验装置更加简易,操作更加简单,读取数据直接等优点.

利用微小电阻测量法测量金属丝的杨氏模量

根据弹性模量与金属丝电阻微小变化量之间的关系式以及微小电阻测量原理,本文设计了可以测量并实时在线显示金属丝杨氏模量的实验装置.当金属丝被拉伸而引起电阻微小变化时,经过两级集成运算放大电路放大、模/数转换、单片机采集、计算后,在显示屏上就可以实时显示杨氏模量的大小.利用本装置测量了直径为0.201 mm的钢丝和直径为0.269 mm的康铜丝,其测量数据和数据处理结果表明,此杨氏模量仪测得的金属丝杨氏模量具有不大于0.3%的相对误差,精度高,且操作简单、测量时间短,为快速测量金属丝杨氏模量提供了一个可行的方法.

大学生科学素养与创新思维的培养——以基于电阻应变片的杨氏模量测量实验教学研究为例

杨氏模量是评估材料弹性变形能力的关键参数,其测量具有巨大的科学和应用性,在大学物理实验和工程实验中是一个具有代表性的经典实验。将惠斯通电桥原理和梁弯曲法相结合,利用电阻应变片构成惠斯通电桥,将待测物的微小形变量转化为电信号,从而精确地测定材料的杨氏模量。与传统的光放大法相比,基于电阻应变片的杨氏模量测量实验方法结构简单、测量准确、结合LabVIEW程序设计采集数据并自动处理数据,在实验教学中可操作性强,也丰富了实验教学内容。同时,可培养大学生科学素养,提高学生动手能力、创新思维,增强科研实验能力。

基于微课的大学物理实验混合式教学设计——以杨氏模量的测量为例

本文针对传统大学物理实验教学模式的弊端,探讨并提出一种基于微课的混合式教学模式。以“杨氏模量的测量”为案例,详细设计了三个教学环节:课前自主学习、课中深化训练、课后巩固拓展。该教学模式强调以学生为中心,互动与探索,通过微课的巧妙运用,提升了实验课堂的趣味性和参与度,有望为大学物理实验教学改革提供新的思路。

斜双镜光杠杆法测量金属丝杨氏模量

利用双镜多次反射可有效提高光杠杆法的放大倍数,但需要额外装置确定反射次数。提出了斜双镜光杠杆法,通过一面与光杠杆的镜面斜对放置的大平面镜与光杠杆组合精准控制反射次数为2级,增加光程的同时增加了一次角度变化,将放大倍数提升为传统杠杆法的4倍。理论分析并实验验证了斜双镜法用于测量金属丝的杨氏模量,实验结果与理论分析吻合良好,证实方法和理论的有效性。并且,在不大于80 cm的有限空间内,实现了高达84.36倍的放大倍数。

拉伸法杨氏模量实验装置的改进

针对原有拉伸法杨氏模量测量装置的一些不足,对大学物理实验中的拉伸法杨氏模量测量装置进行了改进。新设计的实验装置将整个仪器水平放置,被测金属丝通过两个快速夹头固定,利用定滑轮组使被测钢丝在滑轮上迂回缠绕,增加被测金属丝的长度,金属丝的伸长量用数字千分表直接测量。改进后的杨氏模量测量装置结构简单,操作简便,测量快速准确,精度高,使用效果好。

基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量

该文介绍了一种基于空气耦合超声技术的材料杨氏模量评估方法。首先采用1-3型压电复合材料及双层匹配结构,研制了高灵敏度的空气耦合超声换能器。在一发一收模式下,该空气耦合超声换能器的插入损耗和-6 dB带宽分别为-23.9 dB和26.9%。其次搭建实验平台,将空气耦合超声技术与静态拉伸法结合,以评估铜线和银线杨氏模量。铜线和银线杨氏模量评估结果与对应的公认值范围一致。

仿生壶腹嵴胶质的制备及杨氏模量的测量

为保证采用仿生半规管实体模型研究前庭功能紊乱问题时的测量精度,通过加热—冷冻—解冻法制备了聚乙烯醇/明胶(PVA/GEL)仿生壶腹嵴胶质共混水凝胶膜,并且研究了其微观结构、密度以及黏弹特性。SEM结果表明,“冷冻法”制备的PVA/GEL水凝膜成膜性好、结构致密并且表面光滑。密度测试与XRD测试结果表明,PVA/GEL具有较好的相容性,同时共混水凝膜密度(ρ≈1 g/cm^(3))与人体壶腹嵴胶质密度一致,并且与水接触后仍可以保持稳态。设计并且采用图像跟踪法进行分析,结果表明,当PVA与GEL的质量比为6∶1时,PVA/GEL膜的泊松比为0.479916,杨氏模量为86.449 Pa,膜的硬度低、易变形、弹性形变性能最佳。因此,质量比为6∶1的水凝膜力学性能与人体壶腹嵴胶质相似,可应用于仿生半规管实体模型中,研究前庭功能原理。

金属电学针尖杨氏模量高温特性研究

在航天航空等极端条件中部分电学器件需要在高温段工作,器件材料需要通过高温探针台进行性能测试,金属电学探针在高温下的物理性能变化对测试结果可能会有显著影响。因此,掌握金属探针的高温物理特性很重要。本文基于通过有限元法计算了金属探针的杨氏模量在高温情况下的变化特性。研究结果表明金属针尖的温度随时间变化呈非线性上升关系,并逐渐趋于饱和。针尖的杨氏模量随着温度的升高而近似线性下降。同时发现,杨氏模量的下降与针尖的位置有关系。杨氏模量下降代表金属探针越易发生形变。因此,在高温测试前期的准备中,需要对探针进行预加热来减少探针的伸长的影响,最终需寻找一个探针位置的平衡点以降低探针形变对实验结果的影响。

杨氏模量测量实验的仪器调节技巧与设施改进

在拉伸法测量杨氏模量实验中,主要利用了光学放大原理测量微小长度,异号法减小系统误差,逐差法处理实验数据,非等精度测量的实验误差处理等。学生在具体实验操作过程中,会遇到仪器调节困难,光路调节不熟练,仪器调节和测量过程中,突发问题较多,环境光照强度对望远镜系统成像有诸多干扰等问题。主要列举出现以上各种状况所对应的实验现象,分析产生各种现象的原因,并提出调整方案,并适当提供仪器和调整方法的改进措施,有助于节省操作时间,提高实验效率,提升教学效果。

剪切波弹性成像杨氏模量最大值联合甲状腺影像报告和数据系统对甲状腺小结节诊断价值分析

目的:探讨剪切波弹性成像(SWE)杨氏模量最大值(E_(max))联合超声甲状腺影像报告和数据系统(TIRADS)对甲状腺小结节诊断价值。方法:选取在医院接受超声检查并确诊为甲状腺小结节的155例患者,依据病理结果将其分为良性组(84例)和恶性组(71例)。所有患者均行SWE检查,采用TIRADS进行分级评估,记录SWE的杨氏模量最小值(E_(min))、杨氏模量平均值(E_(mean))以及杨氏模量E_(max)。以病理结果为“金标准”,采用受试者工作特征(ROC)曲线分析SWE的E_(max)、TIRADS对甲状腺小结节的诊断价值。结果:病理结果显示:155例甲状腺小结节患者中有84例(占54.19%)患者的结节为良性,71例(占45.81%)患者的结节为恶性。良性结节中结节性甲状腺肿66例,甲状腺滤泡性病变14例,桥本甲状腺炎3例,亚急性甲状腺炎1例;恶性结节均为甲状腺乳头状癌。良性组与恶性组SWE的E_(min)、E_(mean)和E_(max)比较,差异有统计学意义(t=2.762,t=8.695,t=20.523;P<0.05);两组TIRADS分级(3~4级)比较差异有统计学意义(Z=3.126,P<0.05)。TIRADS评估155例甲状腺小结节患者中有66例患者的结节为恶性结节,89例患者的结节为良性结节,经SWE的E_(max)参数诊断69例患者的结节为恶性结节,86例患者的结节为良性结节,两者联合诊断78例患者的结节为恶性结节,77例患者的结节为良性结节。TIRADS、SWE的E_(max)诊断甲状腺小结节的ROC曲线下面积(AUC)分别为0.857和0.843,特异度分别为79.16%和80.95%,灵敏度分别为69.01%和74.64%,约登指数分别为48.14%和55.59%,阳性预测值分别为74.24%和76.81%,阴性预测值分别为75.28%和79.07%;两者联合诊断的AUC为0.914,特异度为84.52%,灵敏度为91.55%,约登指数为76.07%,阳性预测值为83.33%,阴性预测值为92.21%。结论:与SWE的E_(max)、TIRADS分级单项诊断相比,SWE的E_(max)联合TIRADS能够提高对甲状腺小结节良恶性的诊断效能,为临床诊疗提供参考依据。

基于Arduino单片机的金属杨氏模量测量实验

杨氏模量测量是大学物理实验中很重要的基础实验。本论文基于Arduino设计了一种利用光杠杆放大法测量金属杨氏模量的实验装置及方法,引入光敏电阻测量黄铜棒在不同受力情况下产生的微小形变,结果表明实验测量精度相对较高。通过该实验设计,能够有效激发学生实验兴趣,锻炼学生动手能力,培养学生创新能力。