大学物理在生活中的应用

大学物理在生活中的应用

物联网1502班15112006 董潇蔓

引言

我们每个人时时刻刻都在不自觉地运用物理知识。并且，物理学与我们的生活联系最为紧密，物理现象大量的存在于我们周围，如雨后天晴的彩虹，湖水沸腾等。都可以从物理知识中得到答案。因此，我们要充分了解物理是源于生活也是解决生活问题的基本工具。运用所学知识，解决生活中的问题，这能够增加我们的感性认识，增强生活实际的联系。

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。在现代，物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。

物理是一门实用性很强的科学，与工农业生产、日常生活有着极为密切的联系。物理规律本身就是对自然现象的总结和抽象。它与我们的生活息息相关，密不可分！

关键词：生活物理，物理应用，杨氏模量

正文

在大学物理课程上，我们做了众多物理实验，然而今天就由我来介绍一下弹性模量，和它在生活中的应用。

弹性模量Elastic Modulus，又称弹性系数，杨氏模量。如今，随着科技的不断发展，弹性模量变成了工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。凡影

响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。在日常生活中，弹性模量的应用与测量在许多领域有重要的作用，就好像混凝土的弹性模量如果不够，使建筑变形而不能正常使用，就很容易发生事故造成经济损失，甚至人员伤亡。

我们在实验中测得的杨氏模量，它是沿纵向的弹性模量，也是材料力学中的名词。1807年因英国医生兼物理学家托马斯·杨(Thomas Young, 1773-1829) 所得到的结果而命名。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，比值被称为材料的杨氏模量，它是表征材料性质的一个物理量，仅取决于材料本身的物理性质。杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，越不容易发生形变。

杨氏弹性模量是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中常用的参数。杨氏模量的测定对研究金属材料、光纤材料、半导体、纳米材料、聚合物、陶瓷、橡胶等各种材料的力学性质有着重要意义，还可用于机械零部件设计、生物力学、地质等领域。

测量杨氏模量的方法一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等，还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、电涡流传感器和波动传递技术（微波或超声波）等实验技术和方法测量杨氏模量。但是由于我们学校资源有限，只能用拉伸法来测量杨氏模量。

杨氏模量的量纲同压力，在SI单位制中，压力的单位为Pa也就是帕斯卡。但是通常在工程的使用中，因各材料杨氏模量的量值都

十分的大，所以常以百万帕斯卡（MPa）或十亿帕斯卡（GPa）作为其单位。

? (1牛顿每平方毫米为1MPa)

? (1千牛顿每平方毫米为1GPa)

杨氏模量测试方法的介绍

一般分为静态法和动态法。

动态法有脉冲激振法、声频共振法、声速法等。

脉冲激振法：通过合适的外力给定试样脉冲激振信号，当激振信号中的某一频率与试样的固有频率相一致时，产生共振，此时振幅最大，延时最长，这个波通过测试探针或测量话筒的传递转换成电讯号送入仪器，测出试样的固有频率，由公式计算得出杨氏模量E。

特点：国际通用的一种常温测试方法；信号激发、接收结构简单，测试测试准确、直观。

声频共振法：指有声频发生器发送声频电信号，由换能器转换为振动信号驱动试样，再由换能器接收并转换为电信号，分析此信号与发生器信号在示波器上形成的图形，得出试样的固有频率f，由公式E=C1·w·f得出试样的杨氏模量。

特点：--- 声频发生器、放大器等组成激发器；

--- 换能器接收信号，示波器显示信号；

---李萨如图形判断试样固有频率。

缺点：--- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便；

--- 示波器数据处理及显示单一；

--- 可能存在多个李萨如图形，易误判；

--- 该方法不方便用于高温测试。

声速法：由信号发生器给出超声信号，测试信号在试样中的传播时间，得出该信号在试样中的传播速度ν，由公式E=ρ·ν计算得试样杨氏模量。

特点：---超声波发生器及换能器组成激发系统；

--- 换能器转换信号；

--- 测试超声波在试样两平行面的传播时间差，计算声速。

缺点：--- 激发器结构复杂，必要时激发器需要与试样表面耦合，操作不方便；

--- 时间差的信号处理点容易引入误差，只能得出近似杨氏模量；

--- 该方法不方便用于高温测试。

静态法

静态法是指在试样上施加一恒定的弯曲应力，测定其弹性弯曲挠度，或是在试样上施加一恒定的拉伸（或压缩）应力，测定其弹性变形量；或根据应力和应变计算弹性模量。

特点：--- 国内采用的方法，国内外耐火行业目前还没制定相应的标准；

--- 获得材料的真实变形量应力---应变曲线。

缺点：试样用量大；准确度低；不能重复测定。

这个装置图就是类似我们实验室用的装置。因为做实验的时候很多时候存在误差，所以我们采用逐差法有效地减小随机误差的影响，也可以部分地消除仪器的系统误差，在这个实验中，金属丝下面吊挂的重物质量是逐次等量上调的，因此使用逐差法可以有效利用多次测量的数据，利用多个数据差的平均来部分消除误差的影响

杨氏模量的大小取决于材料的组成。举例来说，大部分金属在合金成分不同、热处理在加工过程中的应用，其杨氏模量值会有5％或者更大的波动。正如以下的很多材料的杨氏模量值非常接近。

杨氏模量与如此多的材料都息息相关，不管杨氏模量大或者小都有他的好处。就如杨氏模量大，即使单位面积上承受很大的力也不会弯曲变形，强力不会拉伸这种材料，压力也不会压缩这种材料。就比如天然金刚石，因为它的杨氏模量达1000GPa，所以它被人们做成刀具等，抗形变能力强，耐用。超级钢因为其杨氏模量非常大，而被应用于造船、建筑、桥梁等行业，来替代传统的普通板材具有良好的前景。高强度船板可以增加载货量；低成本、高性能桥梁板有利于桥梁结构的优化设计，使桥梁更加坚固耐用。在中国，超级钢大有用武之地。杨氏模量的应用已经渗透到我们身边的各个领域。还有一些杨氏模量很低的新型材料，例如固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性（hydrophobic）和防水性，惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，

且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量（Young’s modulus）导致的结构高弹性（structural flexibility）等，被用来制作微流道、微混合器、微泵、微阀门等元件。

在这里介绍的只是大学物理在生活中应用的一小部分，还有更多的物理知识需要大家慢慢在生活中体会与认识。大学物理与我们生活非常贴近，也非常实用，所以我们学习好大学物理，对自身也有很多好处。生活从不缺乏物理现象，缺乏的是勇于发现物理学的眼睛。