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楊氏模量的測定范文第1篇

關(guān)鍵詞：彎曲法；讀數(shù)顯微鏡；SPSS線性估計(jì)；不確定度分析；楊氏模量

中圖分類號：04-33 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)的重要物理量[1]，是工程技術(shù)中機(jī)械構(gòu)件選材時(shí)的重要參數(shù)[2]，也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。楊氏模量的測定是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[3]。在傳統(tǒng)的彎梁法[4]基礎(chǔ)之上，逐步形成了一些新的實(shí)驗(yàn)方法[5-7]，但這些新的實(shí)驗(yàn)方法普遍存在著實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相對復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本較高的情況，或者易受外界環(huán)境（溫度、濕度、電磁）的影響。因此，高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教材中普遍采用的還是傳統(tǒng)的彎梁法的實(shí)驗(yàn)方法，但由于傳統(tǒng)的彎梁法存在著處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法較為陳舊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用的是不確定的置信概率較低的現(xiàn)象（68.3%的正態(tài)分布）。為此，引入SPSS[8]曲線估計(jì)功能去分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，試圖減小人為因素和儀器因素帶來的偶然誤差和系統(tǒng)誤差，提高對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的精度，用置信率為95%的不確定度（七分布）對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，可得到更為合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、實(shí)驗(yàn)儀器

1.實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1）。

2.實(shí)驗(yàn)安裝及調(diào)試。通過底板三個(gè)角上的水平調(diào)節(jié)螺絲，用水準(zhǔn)器觀察，使底板調(diào)整到水平位置。將橫梁穿入砝碼銅刀口內(nèi)，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(nèi)，防止砝碼盤的過度擺動(dòng)。將讀數(shù)顯微鏡安裝在顯微鏡架上，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡目鏡，直到眼睛觀察鏡內(nèi)的十字線和數(shù)字清晰，同時(shí)觀察能否通過讀數(shù)顯微鏡清楚地看到銅刀口上的基線，再轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)旋鈕使刀口的基線與讀數(shù)顯微鏡內(nèi)十字刻線的水平線吻合。調(diào)節(jié)好儀器就可以進(jìn)行測量，但要注意在加減砝碼時(shí)，砝碼輕拿輕放，盡量不要碰到實(shí)驗(yàn)裝置。

二、實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)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(shè)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(shí)驗(yàn)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(shù)顯微鏡讀取Zi，從而可得系統(tǒng)各長度與重力加速度的綜合量（δi）。應(yīng)用SPSS的曲線估計(jì)功能，試圖去分析系統(tǒng)的附加質(zhì)量（mi）與系統(tǒng)各長度與重力加速度的綜合量（δi）之間的線性相關(guān)性，由此標(biāo)定出鐵片的楊氏模量，并對其不確定度進(jìn)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(jìn)行評定。測量列平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：u■=■ （3）

對于A類分量，實(shí)驗(yàn)中測量次數(shù)為7次，此時(shí)測量結(jié)果服從t分布，tp為與一定置信概率相聯(lián)系的置信因子，當(dāng)p=0.95時(shí)，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(yīng)分布的置信因子，Δ為儀器精度，C為相應(yīng)分布的置信系數(shù)，若儀器誤差服從均勻分布C=■，當(dāng)p=0.95時(shí)，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(jù)（2）式u■=■，可得E的相對不確定度為：

u■=■■ （7）

四、測量數(shù)據(jù)及線性分析

1.測量數(shù)據(jù)及其結(jié)果。

2.用SPSS分析mi-δi定標(biāo)曲線。

將表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入SPSS軟件中，應(yīng)用SPSS中的線性估計(jì)功能，以系統(tǒng)附加砝碼質(zhì)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(biāo)曲線方程為：

■ （8）

所得其定標(biāo)曲線如圖3所示。

五、對楊氏模量不確定度的估算

根據(jù)圖3的m-δ定標(biāo)曲線，在直線上適當(dāng)?shù)奈恢萌应?、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(diǎn)結(jié)合（9）、（10）、（11）可得楊氏模量的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tǒng)附加砝碼質(zhì)量（m）與系統(tǒng)各長度和重力加速度的復(fù)合量（δ）應(yīng)該具有線性關(guān)系，若能從實(shí)驗(yàn)的角度研究出mi-δi的關(guān)系曲線，必然可以證明系統(tǒng)附加砝碼（m）與系統(tǒng)各長度和重力加速度的復(fù)合量（δ）存在線性關(guān)系，從而可以較為直觀地標(biāo)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(chuàng)新性。

由表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用SPSS的曲線估計(jì)功能得定標(biāo)方程（8）式及其圖3的m-δ定標(biāo)曲線圖。驗(yàn)證了系統(tǒng)附加砝碼（m）系統(tǒng)各長度與負(fù)重的復(fù)合量（δ）具有線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)所得定標(biāo)方程（8）式及圖3實(shí)驗(yàn)曲線與理論分析的（2）式具有一致性。

由表3數(shù)據(jù)，應(yīng)用SPSS線性估計(jì)功能得到定標(biāo)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)線性分析的合理性。應(yīng)保證銅片盡量平直，實(shí)驗(yàn)選擇最小本底為掛鉤砝碼10kg，負(fù)重砝碼（mi）以每組20kg為標(biāo)準(zhǔn)遞增（或遞減），所對應(yīng)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(shù)據(jù)可靠性較高，從而使得測量結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，由該實(shí)驗(yàn)方案所得楊氏模量的實(shí)驗(yàn)值只在千分位上可疑，而以往采用的實(shí)驗(yàn)方案所得楊氏模量的實(shí)驗(yàn)值一般為十分位或百分位上可疑。表明應(yīng)用SPSS的曲線分析估計(jì)標(biāo)定的楊氏模量，是可以顯著提高測量數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析精度，且數(shù)據(jù)的處理過程及結(jié)果較為直觀有效。因此，該實(shí)驗(yàn)方案具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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楊氏模量的測定范文第2篇

關(guān)鍵詞：信息融合；教學(xué)模型；效果

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1009-3044（2013）29-6591-04

本人在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心做實(shí)驗(yàn)教師多年，這為信息融合教學(xué)模型的實(shí)施提供了支持。因條件有限，為檢驗(yàn)新模型和傳統(tǒng)模型的效果差異，我只選擇了一個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——《楊氏模量的測量》，作為研究對象，分析運(yùn)用信息融合教學(xué)模型和運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模型的實(shí)施效果。

1 《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)的課程描述

1.1 課程開展說明

《楊氏模量的測量》是一個(gè)比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生要有細(xì)心觀察能力、獨(dú)立操作儀器的能力和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的能力。這些都是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的對學(xué)生要求的必須達(dá)到的能力目標(biāo)，是一個(gè)工科類學(xué)生必修的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。本學(xué)期《楊氏模量的測量》課開設(shè)的時(shí)間是：2013 年 3 月 8 號至 5 月 30 號，總共是 8 周 24節(jié)課。實(shí)驗(yàn)班級一個(gè)，人數(shù)43人，首先，我將該班分成4個(gè)組，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和其他3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同時(shí)輪流進(jìn)行，其中，兩個(gè)組為實(shí)驗(yàn)組，運(yùn)用信息融合教學(xué)模型，剩下兩個(gè)組運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模型，主要以楊氏模量的測量為觀測點(diǎn)。

1.2 教學(xué)方法與手段

在實(shí)驗(yàn)組，采用了信息融合學(xué)習(xí)模型，來增強(qiáng)學(xué)生接受能力、操作能力，挖掘并激發(fā)學(xué)生的潛能[1]。首先，利用學(xué)院的網(wǎng)站資源，把《楊氏模量的測量》相關(guān)的儀器介紹，原理說明，操作流程已經(jīng)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)的視頻資料，放到網(wǎng)站上，要求每個(gè)學(xué)生在課前必須預(yù)習(xí)觀看。同時(shí)，在網(wǎng)站上還有很多該實(shí)驗(yàn)的背景資料，同學(xué)們可以隨時(shí)隨地瀏覽獲取課外的擴(kuò)展知識(shí)。平時(shí)，老師和學(xué)生可以利用現(xiàn)代通訊設(shè)施（微博、QQ等）進(jìn)行互動(dòng)，讓他們隨時(shí)討論《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)問題，這樣可以了解更多楊氏模量的測量方法及其前景應(yīng)用的知識(shí)，把大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)從過去的傳統(tǒng)課堂延伸到豐富多彩的課外，從而，也促使學(xué)生學(xué)習(xí)目的發(fā)生變化，不再是為了來修學(xué)分，應(yīng)付考試。培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，獨(dú)立思考能力、動(dòng)手能力和想象能力[2]。

2 課程設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程

2.1 《楊氏模量的測量》內(nèi)容分析

在對《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)課程的初步分析后，下面對實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行說明，詳見表1。

（2）學(xué)會(huì)《楊氏模量的測定》的儀器操作規(guī)范。

（3）理解《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)的基本原理。

（4）通過拉伸法測楊氏模量，熟悉數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。＼&課程分析＼&學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生，主要是在校大學(xué)生，他們來自不同的地域，在高中學(xué)習(xí)物理的基礎(chǔ)各不相同，各自的學(xué)習(xí)能力及個(gè)性都存在差別，而且，對信息技術(shù)的掌握也有很大的差異，來自經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地方明顯比經(jīng)濟(jì)落后的地方的學(xué)生掌握的更多更好。但是，經(jīng)過大一一個(gè)學(xué)年的學(xué)習(xí)，對于物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，信息技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握都有較大的提升，大部分同學(xué)對本實(shí)驗(yàn)的開展，障礙都不大 [3]。＼&教學(xué)方式＼&自學(xué)、課堂講授、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。＼&學(xué)習(xí)活動(dòng)＼&預(yù)習(xí)并做預(yù)習(xí)報(bào)告、資料收集、討論交流、自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、課堂講授、問題解決、思考作業(yè)等。＼&學(xué)習(xí)資源 ＼&自編教材《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程》；視頻資料；網(wǎng)絡(luò)資料。＼&]

2.2 《楊氏模量的測量》課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)信息融合教學(xué)模型要求，制定教學(xué)目標(biāo)（如表 2 所示）：

2.3 《楊氏模量的測量》活動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)信息融合學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)，針對《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，筆者對信息融合學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)詳見圖1 所示。

2.4 《楊氏模量的測量》實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)支持

本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)支持，主要是大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)中心的實(shí)踐教學(xué)網(wǎng)和海量互聯(lián)網(wǎng)資源。在課前，要求學(xué)生瀏覽學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)站，并觀看《楊氏模量的測量》的相關(guān)教學(xué)視頻，同時(shí)，通過互聯(lián)網(wǎng)，查閱實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料，了解本實(shí)驗(yàn)課程的大量背景知識(shí)。

在正式課堂教學(xué)時(shí)，老師先收取學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告，并提問學(xué)生，檢查是否達(dá)到要求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，首先，對實(shí)驗(yàn)原理做簡要說明，然后對測量過程進(jìn)行講解，重點(diǎn)突出實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，儀器調(diào)整的步驟，和關(guān)鍵環(huán)節(jié)；其次，跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)學(xué)生出現(xiàn)的誤操作和不明白的地方，提供適當(dāng)幫助。當(dāng)然，教師要盡量少參與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程，鼓勵(lì)學(xué)生多獨(dú)立思考，培養(yǎng)獨(dú)立解決問題的能力。楊氏模量的測量實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，步驟多，需要學(xué)生有耐心地學(xué)習(xí)與操作，鼓勵(lì)學(xué)生，增前自信，相信自己能順利把實(shí)驗(yàn)完成。

在課后，要求老師及時(shí)和同學(xué)們交流，這可以充分利用信息技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用QQ、微博和E-mail等形式與學(xué)生互動(dòng)，利用這些工具可以及時(shí)了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)后，對知識(shí)的掌握程度，了解學(xué)生作業(yè)情況，還可以進(jìn)行課后答疑等。同時(shí)，還可以啟發(fā)學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)楊氏模量的測量的最新進(jìn)展以及應(yīng)用情況等[4]。

2.5 教學(xué)評價(jià)

《楊氏模量的測量》教學(xué)評價(jià)，從以下幾方面來開展：

1）實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)情況。

2）實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生紀(jì)律，操作規(guī)范和數(shù)據(jù)收集合理性。

3）實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況，數(shù)據(jù)處理是否正確。

4）實(shí)驗(yàn)效果分析。

3 實(shí)驗(yàn)的效果分析

在信息融合學(xué)習(xí)課程實(shí)施結(jié)束后，我對學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了全面的調(diào)查分析，把實(shí)驗(yàn)組和傳統(tǒng)組的學(xué)生對照分析，發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生在諸多方面存在差別。

3.1學(xué)生對學(xué)習(xí)課程的滿意度顯著提高

我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生對學(xué)習(xí)的課程滿意度顯著提高，說明信息融合學(xué)習(xí)模型的實(shí)施是有效的。傳統(tǒng)組學(xué)生比較對照組后，我們可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)組學(xué)生對學(xué)習(xí)過的課程滿意度無明顯變化。

在實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，采用自編的里克特量五點(diǎn)問卷對學(xué)生進(jìn)行測量。主要針對學(xué)生的創(chuàng)新能力、學(xué)習(xí)認(rèn)可、研究能力、與人溝通能力、總結(jié)歸納能力等情況進(jìn)行測查。

表3是實(shí)驗(yàn)組與傳統(tǒng)組學(xué)生對課程實(shí)施后的滿意度評估結(jié)果。實(shí)驗(yàn)組的總體評價(jià)為 3.68，顯著超過平均水平，說明新方法的實(shí)施情況是非常有效的，但在創(chuàng)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?yàn)楸敬窝芯康臅r(shí)間較短，課程實(shí)施只有 8 周時(shí)間，而創(chuàng)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(shí)施時(shí)間的增強(qiáng)，可能會(huì)繼續(xù)提高，而傳統(tǒng)組的總體評價(jià)為2.53，顯著低于平均水平，說明傳統(tǒng)方法不適合當(dāng)前學(xué)生的學(xué)習(xí)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組與傳統(tǒng)組之間存在差異，而且差異非常顯著[5]。

3.2 知識(shí)和操作能力有顯著提高

實(shí)驗(yàn)組學(xué)生不但能夠很好地掌握課程的基礎(chǔ)知識(shí)、很好地完成作業(yè)，而且會(huì)利用互聯(lián)網(wǎng)資源擴(kuò)展知識(shí)進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，能夠順利地運(yùn)用知識(shí)解決問題，實(shí)驗(yàn)操作能力有顯著提高，明顯達(dá)到了新教學(xué)模型實(shí)施之前的理想標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)組學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)理解、擴(kuò)大知識(shí)與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴男Ч焕硐隱5]。

3.3自學(xué)能力有了明顯的提高

自學(xué)方面，老師可以利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，指導(dǎo)學(xué)習(xí)在線學(xué)習(xí)，擴(kuò)張了學(xué)習(xí)的時(shí)空范圍，有效提升了學(xué)生的自學(xué)能力。訪談?wù){(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力都較高水平，說明實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到了提高，而傳統(tǒng)組學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力沒有顯著影響。

3.4互相協(xié)作學(xué)習(xí)的能力提高顯著

信息融合學(xué)習(xí)模型中互相協(xié)作學(xué)習(xí)能力是其要求達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)之一，學(xué)習(xí)效果的進(jìn)步快慢，互相協(xié)作學(xué)習(xí)是十分重要的促進(jìn)手段，需要得到不斷加強(qiáng)。調(diào)查說明，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的互相協(xié)作學(xué)習(xí)能力的總體水平較高；傳統(tǒng)組學(xué)生的互相協(xié)作學(xué)習(xí)能力的總體存在不足，說明學(xué)生的這兩方面的能力存在較大的差異。

3.5 新教學(xué)模型實(shí)施效果的總體評價(jià)

在實(shí)驗(yàn)組中，學(xué)生對教學(xué)的各個(gè)方面比較認(rèn)同，如：學(xué)習(xí)模式、總結(jié)歸納能力、溝通能力以及研究能力，這從表3.1中的數(shù)據(jù)也可以反映出來，這幾項(xiàng)指標(biāo)均高于平均值。而在傳統(tǒng)組中，從表3.1中反映各種指標(biāo)均不理想，集中反映了傳統(tǒng)教學(xué)模型認(rèn)可度較低，有較大的提升空間。

3.6新教學(xué)模型實(shí)施后的實(shí)驗(yàn)成績比較

總成績=課前預(yù)習(xí)*20%+課堂表現(xiàn)*10%+實(shí)驗(yàn)報(bào)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(gè)實(shí)驗(yàn)，把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程完整地操作一遍。結(jié)果，實(shí)驗(yàn)組的總平均成績是86.58，傳統(tǒng)組的總平均成績是74.31，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組與傳統(tǒng)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，信息融合學(xué)習(xí)模式比傳統(tǒng)方式優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)：

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楊氏模量的測定范文第3篇

關(guān)鍵詞：工科院校；物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)分析

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

隨著科技發(fā)展，社會(huì)對大學(xué)生的需求也相應(yīng)地轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)應(yīng)用型人才，高校對大學(xué)生的培養(yǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用型人才的培養(yǎng)模式。高校開設(shè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程，主要培養(yǎng)和提升學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力與創(chuàng)新能力。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在高校首先接觸到的實(shí)踐課程，被作為基礎(chǔ)必修課，是大學(xué)生鍛煉能力的敲門磚，起到關(guān)鍵性的引導(dǎo)作用。通過完成一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能掌握物理實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)，學(xué)會(huì)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(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手能力，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)去觀察、分析、研究物理現(xiàn)象和物理規(guī)律并加深對理論知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及誤差分析，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程打好基礎(chǔ)。

對此，很多高校注重物理實(shí)驗(yàn)，采取許多措施，注重物理實(shí)驗(yàn)從演示型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍浴⒃O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。但從目前學(xué)生的狀況來看，教學(xué)實(shí)踐中會(huì)忽視一些問題。

一、被忽略的問題

1.忽略學(xué)生的理論基礎(chǔ)是否牢固。我們往往強(qiáng)調(diào)物理學(xué)從本質(zhì)上說是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和理論的建立必須以嚴(yán)格的物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，受到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的重要性。實(shí)驗(yàn)固然重要，通過實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)全新領(lǐng)域，開拓新的篇章，但我們?nèi)菀缀雎砸胪ㄟ^實(shí)驗(yàn)達(dá)到新的領(lǐng)域，必須有一定的基礎(chǔ)知識(shí)。如果沒有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，只是一味地做實(shí)驗(yàn)，想必不會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的奧妙。畢竟，大學(xué)生初步接觸物理，不像研究者那樣發(fā)現(xiàn)新規(guī)律或現(xiàn)象，而是先來學(xué)習(xí)已經(jīng)知道的知識(shí)，在此基礎(chǔ)上，對問題進(jìn)行研究。例如，沒有學(xué)過電磁波，打電話時(shí)不會(huì)發(fā)現(xiàn)電磁波的存在；沒有學(xué)過干涉現(xiàn)象，對陽光下肥皂泡沫上的美麗圖案，不會(huì)明白它是有規(guī)律可循的。

2.忽略培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和素養(yǎng)。物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生首先接觸的實(shí)驗(yàn)課程，物理教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的培養(yǎng)起到關(guān)鍵作用，如果起初沒有養(yǎng)成習(xí)慣，學(xué)生容易形成對實(shí)驗(yàn)不重視的態(tài)度，課前不預(yù)習(xí)，課堂走過場，課后不認(rèn)真處理報(bào)告等，后來想根本糾正會(huì)比較困難。不良習(xí)慣已經(jīng)養(yǎng)成，在專業(yè)領(lǐng)域是一個(gè)致命傷。尤其對工科院校的學(xué)生來說，優(yōu)良習(xí)慣尤為重要。比如，工科院校制冷專業(yè)、建筑專業(yè)、汽車專業(yè)、機(jī)械專業(yè)，沒有在設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)實(shí)踐中養(yǎng)成良好的習(xí)慣修養(yǎng)，在以后的工作中，可能會(huì)因一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，造成無法估量的損失。

3.忽略學(xué)生的整體水平。對物理實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，尤為重要。在這一這方面，在現(xiàn)今講究效率的時(shí)代，大家往往要求的是時(shí)效，應(yīng)用型人才更被重視，看重的是培養(yǎng)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力。但在教學(xué)改革時(shí)，我們?nèi)菀缀雎圆煌盒５膶W(xué)生，整體水平是不一樣的。探究性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要在學(xué)生擁有一定的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰突A(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行操作。

4.在實(shí)驗(yàn)考核過程中，忽略考核的正式性。目前，實(shí)際操作環(huán)節(jié)采取抽簽方式進(jìn)行考核。考核過程中，有些教師僅注重學(xué)生最終測量結(jié)果，往往忽略過程中的細(xì)節(jié)問題。比如，在做拉伸法測定金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)中，往往忽略楊氏模量測定儀水平調(diào)整，忽略此實(shí)驗(yàn)中的測量數(shù)據(jù)是不是和要求的對象相符合。例如，測量D時(shí)，實(shí)際表示是望遠(yuǎn)鏡的標(biāo)尺到平面鏡的垂直距離，但有的學(xué)生在考核中測量的對象是望遠(yuǎn)鏡鏡頭到平面鏡的垂直距離。這些細(xì)節(jié)，在重視測量結(jié)果中不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

二、采取的措施

針對這些問題，在開設(shè)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)，應(yīng)引起重視，采取相應(yīng)措施，讓學(xué)生真正地從物理實(shí)驗(yàn)課有所收獲。

1.當(dāng)前學(xué)習(xí)認(rèn)知比重大于探究。學(xué)生要先學(xué)習(xí)已有物理知識(shí)，然后再進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。大學(xué)生處在認(rèn)知時(shí)代而不是探索時(shí)代，要先學(xué)好已有知識(shí)，打好堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)，再進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，效果會(huì)事半功倍。比如，規(guī)則形狀物體的密度測量實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生首先了解相關(guān)理論知識(shí)ρ=■、體積計(jì)算知識(shí)，然后才能進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量。在牛頓環(huán)的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生如果之前在理論上沒有了解干涉現(xiàn)象、等厚干涉，想必對牛頓環(huán)現(xiàn)象及牛頓環(huán)儀的應(yīng)用也不會(huì)有很深刻的理解。所以，對高校學(xué)生來說，要給予了解與重視。對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，打好物理基礎(chǔ)知識(shí)，尤為重要。

2.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的要求和注意事項(xiàng)要明確。對實(shí)驗(yàn)的相關(guān)章程和注意事項(xiàng)，要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，可引起學(xué)生注意。每堂實(shí)驗(yàn)課要針對相應(yīng)基本要求和注意事項(xiàng)進(jìn)行嚴(yán)肅強(qiáng)調(diào)，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)，讓學(xué)生在教師的潛移默化中養(yǎng)成良好的習(xí)慣。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基本要求是：

（1）能夠完成預(yù)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和撰寫報(bào)告等主要實(shí)驗(yàn)程序。

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

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

（4）能夠進(jìn)行常用物理量的一般測量。例如：長度、質(zhì)量、時(shí)間、熱量、溫度、電流強(qiáng)度等。

（5）了解常用儀器的性能，學(xué)會(huì)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(fā)生器、常用電源和常用光源等。

（6）了解測量誤差的基本知識(shí)，具有正確處理數(shù)據(jù)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(jì)算；數(shù)據(jù)處理的一些基本方法。

（7）實(shí)驗(yàn)過程中要愛護(hù)儀器，謹(jǐn)記注意事項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要排好儀器。這一點(diǎn)，在目前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的重視度不夠。例如，在拉伸法測定金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)時(shí)，要用到螺旋測微計(jì)來測量金屬絲的直徑d，教師在講解中強(qiáng)調(diào)螺旋測微計(jì)精度很高，如果直接旋轉(zhuǎn)微分筒壓被測物體，物體容易變形，造成誤差，所以當(dāng)旋轉(zhuǎn)微分筒剛接觸被測物體時(shí)，改用棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)剛聽到棘輪發(fā)出咔咔聲時(shí)，表明物體被剛好壓住，既不松也不緊，應(yīng)開始測量。如再接著旋緊，會(huì)造成測微螺旋與被測物體受損。但在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常能聽到螺旋測微計(jì)發(fā)出連續(xù)的咔咔聲，表明學(xué)生對此要求重視度不夠，沒有養(yǎng)成良好的習(xí)慣。

因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，每做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師都應(yīng)反復(fù)、詳細(xì)而嚴(yán)肅地說明與強(qiáng)調(diào)，增強(qiáng)學(xué)生的重視度，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，逐步形成求實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

3.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大多開設(shè)在大一下學(xué)期或大二上學(xué)期，此階段學(xué)生對知識(shí)的掌握還不夠熟練與靈活。因此，對大學(xué)生而言，更容易接受測量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。所以，在物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，要有層次性。例如，對于拉伸法測定金屬絲的楊氏模量實(shí)驗(yàn)、三線擺測定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生更容易接受。通過開設(shè)這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)是比較容易做的，愿意學(xué)習(xí)。如果我們只注重探索性能力和創(chuàng)新性能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)難度較大，如分光計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不明白偏向角測量及相應(yīng)原理，會(huì)覺得物理實(shí)驗(yàn)難度大，不能理解，對物理實(shí)驗(yàn)課積極性不高，興趣被削弱，主動(dòng)性變差，實(shí)驗(yàn)課就只是在走過場，就談不上提升學(xué)生的探索、創(chuàng)新能力了。

為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵循如下比例，比例設(shè)計(jì)得好，會(huì)引起學(xué)生興趣，他們自然會(huì)表露出求知欲、探索欲，在無形中完成思考與創(chuàng)新。從調(diào)查情況來看，學(xué)生希望實(shí)驗(yàn)開設(shè)比例如表1所示。

4.大學(xué)物理實(shí)際操作采用具體提問環(huán)節(jié)，使考試正式化，讓學(xué)生重視操作過程，而不是走形式。在實(shí)際考核中，應(yīng)每人一組，限定時(shí)間考核，操作實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師在觀察的基礎(chǔ)上，對具體操作進(jìn)行提問，根據(jù)學(xué)生回答的項(xiàng)目點(diǎn)給予相應(yīng)分?jǐn)?shù)。在物理實(shí)驗(yàn)開課初期，教師應(yīng)告知學(xué)生這種操作考核方式，提升學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的重視度，督促養(yǎng)成良好習(xí)慣。

三、結(jié)束語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)，使學(xué)生對理論知識(shí)有了進(jìn)一步的深刻理解與認(rèn)識(shí)。在開設(shè)過程中，重視細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，重視學(xué)生處于基礎(chǔ)層面的狀態(tài)，采取相應(yīng)措施，設(shè)計(jì)合理內(nèi)容，讓學(xué)生在扎實(shí)的基礎(chǔ)功下，循序漸進(jìn)、潛移默化地在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上培養(yǎng)好的習(xí)慣與素養(yǎng)，從而培養(yǎng)啟發(fā)、探索、創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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楊氏模量的測定范文第4篇

關(guān)鍵詞：剪切波彈性成像；甲狀腺結(jié)節(jié)；超聲

臨床上甲狀腺結(jié)節(jié)越來越常見，通過超聲檢查獲得的甲狀腺結(jié)節(jié)的患病率為20%～76%。但是，其中惡性病變僅占結(jié)節(jié)性病變的9.2%～14.8%[1]。我們常規(guī)超聲檢查依據(jù)的TI-RADS診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)TI-RADS 4級的結(jié)節(jié)數(shù)量較多，達(dá)不到很好的指導(dǎo)臨床效果。實(shí)時(shí)剪切波彈性成像 （shear wave elastography，SWE）通過測量剪切波在組織內(nèi)的傳播速度計(jì)算彈性模量值，能定量評價(jià)結(jié)節(jié)的硬度，為我們判斷結(jié)節(jié)性質(zhì)提供了一種新的技術(shù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 2015年2月～2016年1月在核工業(yè)四一六醫(yī)院經(jīng)超聲檢查發(fā)現(xiàn)的甲狀腺實(shí)性結(jié)節(jié)，并且經(jīng)超聲引導(dǎo)下穿刺活檢或手術(shù)病理證實(shí)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(shí)時(shí)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(dāng)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(wěn)定后定幀、存儲(chǔ)，凍結(jié)圖像時(shí)囑患者屏氣，靜置圖像不低于3s。每個(gè)結(jié)節(jié)做出三個(gè)SWE圖像。彩色量程圖標(biāo)顯示的單位為kPa，默認(rèn)量程為0～180kPa。取三次Emean的平均值并記錄。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量資料（Emean）以（x±s）表示， 良、惡性結(jié)節(jié)的彈性模量值比較采用t檢驗(yàn)，P

2 結(jié)果

2.1病理結(jié)果 69個(gè)甲狀腺結(jié)節(jié)中，良性結(jié)節(jié)44個(gè)（甲狀腺腺瘤17個(gè)，結(jié)節(jié)性甲狀腺腫27個(gè)）惡性結(jié)節(jié)25個(gè)（狀癌23例，髓樣癌2例）

2.2良惡性結(jié)節(jié)的平均彈性模量值Emean的比較 惡性結(jié)節(jié)的彈性平均值（Emean）為（89.4±69.1）kPa，良性結(jié)節(jié)彈性平均值（Emean）為（24.2±13.1）kPa。良性結(jié)節(jié)的Emean低于惡性結(jié)節(jié)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P

3 討論

SWE的基本原理是采用探頭發(fā)射安全的聲輻射脈沖，在組織內(nèi)連續(xù)聚焦引起組織微粒振動(dòng)并產(chǎn)生橫向剪切波，可對被檢測組織的剪切波速度（shear wave velocity，SWV）進(jìn)行精確的定量測量，從而實(shí)現(xiàn)掃查切面內(nèi)剪切波傳播過程的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測；彈性模量值的計(jì)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(shí)現(xiàn)定量分析[2]。同時(shí)對SWV進(jìn)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(shí)時(shí)剪切波速度圖。不僅實(shí)現(xiàn)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(tǒng)，具有客觀、重復(fù)性好、受操作者影響小等優(yōu)點(diǎn)[3]。生物組織的彈性（或硬度）與病灶的生物學(xué)特性緊密相關(guān)，通常病理情況下組織的彈性（或硬度）會(huì)發(fā)生改變，如惡性病變常導(dǎo)致彈性特性的改變，組織硬度相應(yīng)增加，彈性系數(shù)增大，其原因主要是惡性病灶主要有堅(jiān)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(jù)TI-RADS診斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級時(shí)，我們依據(jù)結(jié)節(jié)的邊界、形態(tài)、回聲及有無砂礫樣鈣化來進(jìn)行判斷。其中邊界是否清楚、形態(tài)是否規(guī)整與操作醫(yī)生的個(gè)人感覺及對機(jī)器的調(diào)節(jié)有關(guān)，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(jié)節(jié)的良惡性進(jìn)行提示。本研究結(jié)果顯示，良性病灶的彈性模量明顯低于惡性病灶，與國內(nèi)外研究一致[4]。

綜上所述，實(shí)時(shí)剪切波彈性成像在對甲狀腺實(shí)性結(jié)節(jié)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(jìn)行補(bǔ)充，對4級結(jié)節(jié)進(jìn)行重新分類，更好的指導(dǎo)臨床，值的我們在工作中去推廣應(yīng)用，降低一些不必要的穿刺、手術(shù)，給臨床治療方式的選擇提供進(jìn)一步的參考。

參考文獻(xiàn)：

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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(yīng)力、其對已沉積涂層的沖擊應(yīng)力以及涂層與基體材料在熱-機(jī)械性能方面差異造成的失配應(yīng)變和熱梯度效應(yīng)，某些情況下還有后續(xù)加工和服役環(huán)境的作用，都會(huì)使涂層內(nèi)不可避免地出現(xiàn)或大或小的殘余應(yīng)力。已有研究表明，殘余應(yīng)力的大小和分布嚴(yán)重影響著涂層零件整個(gè)體系的主要性能，如基體疲勞壽命、涂層結(jié)合強(qiáng)度、耐剝落以及硬度、耐磨、抗熱沖擊、熱循環(huán)疲勞等性能，導(dǎo)致涂層開裂、翹起、剝落和分層，因此殘余應(yīng)力對涂層質(zhì)量、使用性能、涂層構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性等都有重要影響，甚至導(dǎo)致涂層零件過早失效。

理論認(rèn)為當(dāng)殘余應(yīng)力超過涂層彈性極限時(shí)，拉伸應(yīng)力會(huì)在垂直方向?qū)е峦繉娱_裂；一定的壓應(yīng)力是有利的，因其能使涂層裂紋閉合，改善疲勞性能，但壓應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致涂層粘附性失效。在實(shí)際涂層生產(chǎn)中，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其影響非常復(fù)雜。對于熱噴涂涂層，其殘余應(yīng)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(shù)、熱導(dǎo)率等諸多因素密切相關(guān)。

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

殘余應(yīng)力還與涂層零件的結(jié)構(gòu)和噴涂區(qū)域有關(guān)。圓周噴涂的軸類零件或環(huán)形件，涂層結(jié)合強(qiáng)度足夠大時(shí)，涂層破壞以開裂形式為主，其裂紋走向?yàn)閳A周方向，也有軸向裂紋擴(kuò)展的現(xiàn)象。小型零件內(nèi)孔表面噴涂涂層，在噴涂、加工或試車考核等階段都會(huì)出現(xiàn)整體涂層剝落的嚴(yán)重質(zhì)量問題。對于薄壁件，涂層應(yīng)力導(dǎo)致零件變形，對涂層零件尺寸精度造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使零件超差報(bào)廢。

機(jī)械式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）曲率檢測技術(shù)

曲率檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備簡單，可以直接測定涂層殘余應(yīng)力，其原理是在基體上生成涂層時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致曲率變化，通過曲率變化可以計(jì)算殘余應(yīng)力大小，一般采用Stoney方程計(jì)算殘余應(yīng)力。Stoney方程的優(yōu)點(diǎn)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(shù)的影響而比較難以準(zhǔn)確測量的問題。Gill和Clyne對曲率法做了較大改進(jìn)，其一是將攝像進(jìn)行曲率遠(yuǎn)程監(jiān)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(fā)出數(shù)值計(jì)算程序，可以對不同曲率形狀產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，并區(qū)分噴涂粉末顆粒淬火應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的失配應(yīng)力。

曲率檢測技術(shù)可以分作接觸和非接觸兩種方法。接觸方法主要有應(yīng)變儀和輪廓測定法，非接觸方法主要有光學(xué)、激光掃描、柵格和雙晶衍射拓?fù)浞ā?yīng)變儀法就是用電阻應(yīng)變片測量噴涂前后試樣的曲率變化，通過曲率變化計(jì)算涂層殘余應(yīng)力分布及大小。將試樣制備成窄條狀，以避免產(chǎn)生多軸向曲率和力學(xué)不穩(wěn)定性。但是如果涂層相對基體過薄就不能反映出正應(yīng)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(jié)果是平均應(yīng)力，精度比較低（±30MPa），只能粗略測量厚度方向的平均殘余應(yīng)力，并且對試樣形狀和尺寸限制很嚴(yán)。如果可以對基體表面涂層進(jìn)行逐層剝離測量，則可以測定整個(gè)涂層厚度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力詳細(xì)數(shù)據(jù)，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(tǒng)曲率檢測技術(shù)時(shí)，難于測量小曲率試樣，需要對測量技術(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。

（2）鉆孔檢測技術(shù)

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

鉆孔檢測技術(shù)的缺點(diǎn)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(yīng)力狀態(tài)，另外涂層去除均勻困難，以至于影響殘余應(yīng)力的測量效果。

（3）逐層剝離檢測技術(shù)

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(shù)次剝離過程和剝離后的試樣進(jìn)行應(yīng)變測量得到涂層的殘余應(yīng)力。美國金屬學(xué)會(huì)（ASM）所屬的熱噴涂學(xué)會(huì)負(fù)責(zé)編制了《逐層剝離修正法評價(jià)熱噴涂涂層殘余應(yīng)力》作為噴涂行業(yè)使用的涂層機(jī)械性能測試標(biāo)準(zhǔn)。該文件給出了試樣制備、需要的設(shè)備、使用應(yīng)變規(guī)的程序、逐層磨除涂層的程序以及為了計(jì)算殘余應(yīng)力而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法。

光學(xué)式應(yīng)力檢測技術(shù)

（1）X射線衍射檢測技術(shù)

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

我國在1987年和實(shí)施《X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-1987）標(biāo)準(zhǔn)，2009年則實(shí)施《無損檢測 X射線應(yīng)力測定方法》（GB/T 7704-2008）新標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)沒有針對涂層特殊結(jié)構(gòu)材料測定殘余應(yīng)力的相關(guān)規(guī)定，而在國外，X射線衍射技術(shù)在上世紀(jì)80年代初就被用于噴涂涂層殘余應(yīng)力的檢測。

X射線衍射測量應(yīng)力的基本原理是由于殘余應(yīng)力的存在引起晶格畸變，使得晶格常數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)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(shù)按下列方程式求得殘余應(yīng)力：

式中，E為涂層材料的楊氏模量，ε是涂層應(yīng)變，ν為泊松比，d0和d分別為理想態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的晶面間距。

X射線衍射檢測技術(shù)對涂層表面應(yīng)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(yán)格，且可以直接對零件測量，加上測量手段簡單，準(zhǔn)確度較高，因此在熱噴涂涂層研制和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。其獨(dú)到之處是能夠同時(shí)測量涂層中不同相的殘余應(yīng)力，如WC-Co涂層表面應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且涂層中各相的殘余應(yīng)力水平及狀態(tài)不同，WC和W2C相為壓應(yīng)力，且W2C相殘余壓應(yīng)力水平大于WC相；而CO6W6C相則表現(xiàn)為拉應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)晶粒尺寸很小時(shí)會(huì)導(dǎo)致衍射峰值變寬，影響測試結(jié)果精度。EN 15305-2008歐盟標(biāo)準(zhǔn)對涂層材料和薄層特性的說明認(rèn)為，在測試薄層時(shí)可能會(huì)遇到衍射強(qiáng)度低和/或晶粒數(shù)量不足、由多層材料導(dǎo)致的額外衍射、與基體材料的衍射峰重疊、陡的應(yīng)力梯度以及強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)等問題，同時(shí)涂層材料的X射線彈性常數(shù)值可能會(huì)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(yīng)力，涂層增厚會(huì)造成測試結(jié)果誤差。

（2）中子衍射檢測技術(shù)

該技術(shù)是以中子流為入射束，照射涂層表面產(chǎn)生衍射峰。其原理與X射線衍射基本相同，即根據(jù)衍射峰位置的變化，利用布拉格方程式計(jì)算晶格應(yīng)變量并算出殘余應(yīng)力值。與X衍射相比，中子衍射檢測技術(shù)由于中子穿透的深度較大，可測量涂層深處的殘余應(yīng)力，在一定程度上彌補(bǔ)了X射線衍射穿透能力的不足。然而由于中子射線散射強(qiáng)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(shù)在涂層殘余應(yīng)力研究中應(yīng)用的障礙。

（3）散斑干涉檢測技術(shù)

散斑干涉記錄隨機(jī)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(cuò)位散斑干涉檢測技術(shù)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(fā)熒光譜（PLPS）技術(shù)

光激發(fā)熒光譜技術(shù)是利用Al2O3內(nèi)痕量Cr3+在光激發(fā)態(tài)的d3電子衰減發(fā)出熒光，這種譜線稱為光激發(fā)熒光譜。不同的Al2O3相結(jié)構(gòu)，其Cr3+離子占據(jù)的空間位置不同，相應(yīng)的熒光譜線也不同，d3電子衰減發(fā)出的熒光產(chǎn)生雙峰型特征熒光譜R1和R2，在無應(yīng)力狀態(tài)下其頻率位置分別為14402和14432cm-1。熱生長α-Al2O3膜中存在應(yīng)力會(huì)造成譜線頻率位置的偏移，根據(jù)這些偏移值可以計(jì)算膜內(nèi)應(yīng)力。該技術(shù)的優(yōu)勢在于其分辨率高，缺點(diǎn)是只能測量含有Cr3+涂層或區(qū)域的殘余應(yīng)力。

（5）顯微喇曼光譜技術(shù)

采用幾微米的激光束作為激發(fā)源，可以測量殘余應(yīng)力的微觀分布。其物理原理是，單色光束照射固體時(shí)，光子與物質(zhì)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(fā)生非彈性碰撞而散射的光束經(jīng)分光后形成了喇曼光譜，這是含有物質(zhì)特征信息的光譜。如果物體存在應(yīng)力，喇曼光譜中某些對應(yīng)力敏感的譜帶會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)物質(zhì)受壓應(yīng)力作用時(shí)，譜帶會(huì)向高頻方向移動(dòng)，受拉應(yīng)力作用時(shí)譜帶向低頻方向移動(dòng)，且頻率改變與所受的應(yīng)力呈正比關(guān)系。

試驗(yàn)中通常以激光光束為激勵(lì)光源，采用顯微光學(xué)系統(tǒng)對喇曼光譜進(jìn)行觀察，因此又稱為顯微激光喇曼光譜檢測技術(shù)。該檢測方法的空間分辨率可達(dá)到幾個(gè)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(huì)導(dǎo)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(jì)算技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，數(shù)字模型，包括有限元模型，成為一種日益強(qiáng)大、有效且成本較低的模擬噴涂過程中涂層溫度和應(yīng)變衍生過程的計(jì)算工具。有限單元法的基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)體離散為有限個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是在節(jié)點(diǎn)處相連接的單元集合體；將場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)近似插值來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律；利用力學(xué)變分原理來建立求解方程，以將一個(gè)連續(xù)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(fā)的一套功能強(qiáng)大的有限元工程模擬軟件，被認(rèn)為是功能最強(qiáng)的非線性CAE軟件，它擁有豐富的單元庫和與之相應(yīng)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(zhàn)性的非線性模擬等多種問題，基本可以模擬計(jì)算任意實(shí)際形狀、多種材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)、熱學(xué)和聲學(xué)等方面的問題。在國外已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軍事、土木工程、材料加工等各個(gè)行業(yè)。另一種使用廣泛的有限元計(jì)算軟件為ANSYS模擬軟件。

有文獻(xiàn)描述了噴涂態(tài)涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的幾種模型。在有限元模擬多層涂層系統(tǒng)時(shí)，需要有正確的材料數(shù)據(jù)、多層及其界面的幾何界面模型、足夠的網(wǎng)格單元以及不同試驗(yàn)條件下的邊界假設(shè)。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(jié)層則為彈性和黏性-塑性材料。其材料物理數(shù)據(jù)包括面層、熱生長氧化物、粘結(jié)層和基體的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量和柏松比及其蠕變變形參數(shù)，另外還要具備不同溫度下的黏結(jié)層應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)。在上述工作基礎(chǔ)上，給出熱載荷及邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格及其構(gòu)成元素設(shè)計(jì)。

有限元法還可以對噴涂粉末顆粒沉積過程進(jìn)行模擬計(jì)算，揭示表面粗糙度、溫度等關(guān)鍵因素對涂層殘余應(yīng)力影響的熱-機(jī)械變化過程。已有的有限元模型計(jì)算結(jié)果表明，在涂層厚度方向內(nèi)存在應(yīng)力梯度，即從涂層表面向內(nèi)殘余應(yīng)力逐漸演變?yōu)槊鎯?nèi)壓應(yīng)力。基體溫度對應(yīng)力影響明顯，噴涂過程中基體溫度升高，面層內(nèi)殘余應(yīng)力會(huì)從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變。另外，殘余應(yīng)力與涂層熱歷史密切相關(guān)，在涂層體系熱循環(huán)過程中，由于陶瓷層顯微裂紋萌生和合金黏結(jié)層蠕變作用，殘余應(yīng)力高溫松弛，則在涂層體系冷卻到室溫過程中，因?yàn)榛w與陶瓷層熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致面內(nèi)二維壓應(yīng)力增加。

作者簡介

袁福河，研究員級高級工程師，中航工業(yè)一級專家，現(xiàn)在中航工業(yè)黎明從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層噴涂和物理氣相沉積涂層技術(shù)的工程應(yīng)用工作；

王少剛，研究員級高級工程師，現(xiàn)為中航工業(yè)黎明副總經(jīng)理，總工程師，主持和管理航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)工程應(yīng)用方面的工作；