实验力学实验报告

实验力学实验报告（精选12篇）

实验力学实验报告 篇1

摘要：在分析了实验报告中普遍存在的不足后, 以土力学实验中的直剪实验为例, 探讨了教师应积极引导学生深入分析实验结果、考察实验过程中产生误差的原因, 充分调动学生学习的积极性与主动性, 才能达到满意的实验教学效果。

关键词：实验报告,实验教学,教学效果,误差分析

土力学课程是土木工程专业中一门非常重要的专业基础课。土力学实验是土力学课程学习中非常重要的实践性教学环节。在对土力学基本概念、基本理论学习的同时, 穿插进行一定数量的土工实验课程的学习与实践, 以便深入了解土的工程力学性质, 熟悉土工实验各种仪器设备, 学会整理测试资料和分析测试数据, 充分调动学生学习的主动性和学习兴趣, 循序渐进地提高学生对土力学理论的理解和科学研究能力, 有利于培养学生的工程意识和综合素质, 为今后从事土木工程专业技术工作打下基础[1]。

毫无疑问, 实验前的预习与准备、实验过程、实验结果的处理等各个环节都是非常重要的, 任何环节的疏忽都可能导致最终实验效果的不理想。本文拟基于学生实验结束后提交的实验成果——实验报告为切入点, 来探讨如何提高土力学实验教学的效果。

1 实验报告中普遍存在的问题

实验报告是学生通过实验过程将其实验原理、操作步骤、原始数据、测试结果等进行汇总的过程, 通过写实验报告可以使学生进一步巩固理论基础知识, 自检实验中数据误差产生的原因, 分析操作过程中失误的地方, 是培养学生独立分析问题和解决问题的重要环节[2]。一般地, 实验报告的主要内容包括:实验预习 (实验目的、原理、所需实验仪器、方法及学生自己设计的实验步骤) 、实验内容 (实验步骤、现象、数据记录) 、结果与讨论 (数据处理、结果分析及思考题) 、指导教师评语及成绩等。只要学生能够按照上述内容进行认真分析与归纳, 实验教学的效果基本可以保证。但在实际教学过程中, 相当一部分学生提交的实验报告达不到基本要求, 主要问题有:1) 实验报告内容大量摘录于实验指导书。每门实验课大都配有实验指导书, 其对实验原理、实验步骤、实验方法等进行了详细的介绍, 是学生预习实验的主要参考资料。而实验报告也需对整个实验的原理、步骤与方法等进行介绍, 这些内容均可从实验指导书中找到, 于是相当多的学生把实验指导书中的相应内容直接摘录到实验报告中。这种做法显然没有调动学生学习的主动性, 使写实验报告成了枯燥的抄写活动。因此, 我们主张学生用自己的语言来完成实验报告, 是基于动手实验后对实验知识理解与掌握的一种自然表述。而且学生实际实验过程中的步骤与方法, 未必与实验指导书中罗列的实验步骤与方法完全相同, 直接摘录相关内容显然是不妥的。2) 实验观察不仔细、数据记录不全面。在实验过程中, 对各种现象的仔细观察与数据的准确读取是保证实验成功的关键。如在采用搓条法测定黏土的塑限实验中, 需要搓滚土条使其直径达到3 mm且表面开始出现裂纹并断裂成数段时, 便判断此时土条的含水率为塑限。在实际实验过程中, 判断土条直径是否达到3 mm、土条表面裂纹是否开始出现等均需要仔细观察, 若观察马虎粗糙则会导致实验结果出现较大误差。各类原始数据需准确读取, 有效数字要规范, 特别不能对数据进行人为修正。3) 不重视实验结果的分析与讨论。学生基于实验数据得到的实验结果往往误差较大, 即出现实验结果与预期结果的不一致。学生对这种偏大的误差 (甚至是错误的数据) 深入探讨较少, 往往用“偶然误差”“仪器精度不够”这些普遍存在的模糊原因去解释[3], 较少探究产生误差的原因, 更难以提出减小误差的措施与方法。事实上, 对实验误差进行深入分析、探究产生误差的原因是实验报告中的重要议题, 也是学生认真对待实验的具体体现。因此, 重点关注学生实验报告中对实验结果的分析与讨论, 是加强实验报告管理的关键内容之一。

2 忠于实验过程, 理性对待实验误差

由于受实验设备、操作方法、读数误差等因素的影响, 土工实验成果总是存在一定的误差。特别地, 由于学生知识的有限性与实验经验的不足, 实验过程中往往得到超过允许平行误差的实验结果[4]。严格来讲, 这样的实验结果不能算是实验成功。但由于学生的实验目的并不是为实际工程提供准确的实验参数, 而仅是通过实验教学达到对相应理论知识的理解与掌握, 并培养动手能力与解决问题的能力。从这个意义上讲, 学生得到误差较大的实验数据 (甚至错误的实验结果) 都是可以容忍的。但问题的关键在于, 实验教学过程中怎样对待学生得到的误差较大的实验结果。首先, 实验指导教师不必过于苛求学生实验结果的准确性与可靠性。有部分老师甚至提出“实验误差较大需要重做实验”的指导意见, 导致部分学生得到误差较大的实验数据后, 为了避免重做实验的麻烦而篡改实验数据, 使最终实验成果满足“误差要求”。这种做法显然引起了较大的负面作用, 没有培养学生严谨治学、尊重客观实际的基本准则, 扭曲了学生的价值观与科学观。

事实上, 学生得到误差较大的实验数据是正常的。指导老师应引导学生继续思考:是什么因素引起了较大的误差, 怎样减小或消除这些误差。学生带着这些问题重回实验室, 仔细琢磨, 并同时查阅资料或相互讨论, 逐步解决问题。部分爱钻研的学生, 会提出一些减小实验误差的可靠措施, 甚至对一些实验仪器进行改进, 并申请发明专利。这个过程就是对学生动手能力、分析问题与解决问题能力的有力培养, 也是对学生学习兴趣的有力提高。这种教学效果, 往往是理论教学达不到的。因此, 学生得到误差较大的实验数据, 反而给学生提供了一个非常好的学习机会, 只要正确引导, 可以得到一个满意的实验教学效果。

所有的这些处理误差的学习过程, 都最终反映在实验报告中。通过查阅学生的实验报告, 可以了解学生对实验过程的理解程度, 掌握学生对实验结果的处理过程, 关注学生对实验过程中产生的问题的思考。如果学生提交的实验报告较粗糙, 没有对实验过程中所发现的问题进行分析与处理, 可以让其进一步补充完整后再提交。可见, 实验报告是学生实验成果的集中体现, 抓好实验报告的质量, 可以促进实验教学效果的提高, 有力培养学生分析问题与解决问题的能力。

3 注重实验结果的分析与讨论

现以直剪试验为例, 探讨如何引导学生对实验结果进行分析与讨论。根据土工实验规程的实验方法与步骤, 直剪实验是为了得到土样在垂直压力分别为100 kPa, 200 kPa, 300 kPa, 400 kPa作用下的抗剪强度τf, 然后根据τf—σ曲线确定土样的粘聚力c与内摩擦角ϕ。图1为部分学生得到的τf—σ实验曲线。

乍一看, 如图1所示的实验结果肯定是错误的, 因为垂直压力为400 kPa时的土样抗剪强度比100 kPa和300 kPa时的相应值还小, 这明显不符合常理 (竖向应力越大, 土体的抗剪强度越高) 。看到这样的实验报告, 我们并没有轻易的断定为学生的实验失误, 而是积极引导学生查明实验数据失真的原因。经过深入探讨, 我们发现了下列原因:1) 试样的离散性太大。由于参加实验的学生人数较多, 指导老师需在实验前预先准备好直剪试验的试样, 才能保证实验按时完成。试样是由干土加水拌匀后压入环刀内制成的, 一般一次实验课需制作60个～80个试样。由于试样数量众多, 制作过程中很难保证所有试样的含水率、密度等特征的同一性, 制作后养护过程中各试样水分的挥发情况也不尽相同。特别地, 部分试样是由勤工俭学的学生负责制作的, 其性质的均匀性与稳定性更难以得到保证。实验时, 学生从所有试样中随意领取4块试样进行实验, 试样的非均匀性决定了实验结果的离散性, 这是实验数据失真的主要原因。2) 在某一垂直压力下的试样抗剪强度τf是通过读取τ—Δl曲线上的峰值来确定的。而部分试样的τ—Δl曲线峰值不明显, 或者峰值出现太晚, 导致学生确定τf过程中存在较大的误差, 再加上绘制τ—Δl曲线也存在误差, 从而引起实验结果失真。3) 实验操作过程中存在失误, 如开始剪切前忘了拔去插销, 使得量力环变形过大受损;读数前剪切盒上盒前端钢珠与测力计接触不良等。4) 转动手轮的速度不能很好的控制, 仪表的读数也存在误差。通过查找原因, 使学生加深了对实验的理解, 领会了实验过程中的关键步骤, 培养了学生严谨的科学品质, 并可引导学生进一步建立减小上述误差的措施。这种实验教学方法不仅仅是让学生受到严格的、系统的实验技能训练, 掌握进行科学实验的基本知识、方法和技巧, 更重要的是培养了学生敏锐的观察力和严谨的思维能力, 培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力, 充分调动起学生学习的积极性与主动性。

4 结语

实验报告是学生实验活动的总结, 可以集中反映学生的实验态度、实验能力及实验成果, 是培养学生认知能力和分析、研究、解决问题能力的重要环节。当前学生提交的实验报告中普遍存在实验报告抄写实验教材、数据记录不全面、缺乏对实验结果深入分析等问题。只有严把实验报告的质量关, 积极引导学生对实验结果进行深入分析, 查找实验过程中产生误差的原因并尝试建立减小误差的有效措施, 才能培养学生敏锐的观察力和严谨的思维能力, 充分调动起学生学习的积极性与主动性, 达到满意的实验教学效果。

参考文献

[1]时伟, 章伟, 董攀.“土工实验课”改革的探索[J].中国冶金教育, 2007 (2) :36-38.

[2]马铭杰.确保实验报告质量是提高实验教学效果的重要措施[J].实验室研究与探索, 2004, 23 (11) :64-66.

[3]唐孟希.实验报告的水平急需提高[J].中山大学学报论丛, 1998 (2) :218-220.

[4]姚丽红, 周烨.土力学实验课教学的几点改革措施[J].辽宁省交通高等专科学校学报, 2001, 3 (2) :55-56.

[5]何志鹃, 杨立军.地方高校土木工程专业实践教学模式探讨[J].山西建筑, 2007, 33 (5) :194-195.

实验力学实验报告 篇2

一、 拉伸实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2 二、 压缩实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4 三、 拉压弹性模量E测定实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6 四、 低碳钢剪切弹性模量G测定实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8 五、扭转破坏实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10 六、 纯弯曲梁正应力实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・12 七、 弯扭组合变形时的主应力测定实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15 八、 压杆稳定实验・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18

一、拉伸实验报告标准答案

实验结果及数据处理： 例:(一)低碳钢试件

强度指标:

Ps=__22.1___KN屈服应力 ζs= Ps/A __273.8___MPa P b =__33.2___KN强度极限 ζb= Pb /A __411.3___MPa 塑性指标:

L1-LAA1

伸长率100%33.24 %面积收缩率100%68.40 %

LA

低碳钢拉伸图

:

(二)铸铁试件

强度指标:

最大载荷Pb =__14.4___ KN

强度极限ζb= Pb / A = _177.7__ M Pa

问题讨论：

1、 为何在拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件,材料相同而长短不同的试件延伸率是否相同

答:拉伸实验中延伸率的大小与材料有关,同时与试件的标距长度有关.试件局部变形较大的断口部分,在不同长度的标距中所占比例也不同.因此拉伸

试验中必须采用标准试件或比例试件,这样其有关性质才具可比性.

材料相同而长短不同的试件通常情况下延伸率是不同的(横截面面积与长度存在某种特殊比例关系除外).

2、 分析比较两种材料在拉伸时的力学性能及断口特征.

答:试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性,低碳钢延伸率大表现为塑性;低碳钢具有屈服现象,铸铁无.低碳钢断口为直径缩小的杯锥状,且有450的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状组织。铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织。.

二、压缩实验报告标准答案

实验数据记录及处理： 例：(一)试验记录及计算结果

问题讨论：

1、分析铸铁试件压缩破坏的原因.

答：铸铁试件压缩破坏，其断口与轴线成45°~50°夹角，在断口位置剪应力已达到其抵抗的最大极限值，抗剪先于抗压达到极限，因而发生斜面剪

切破坏。

2、低碳钢与铸铁在压缩时力学性质有何不同结构工程中怎样合理使用这两类不同性质的材料

答：低碳钢为塑性材料，抗压屈服极限与抗拉屈服极限相近，此时试件不会发生断裂，随荷载增加发生塑性形变;铸铁为脆性材料，抗压强度远大于抗拉强度，无屈服现象。压缩试验时，铸铁因达到剪切极限而被剪切破坏。

通过试验可以发现低碳钢材料塑性好，其抗剪能力弱于抗拉;抗拉与抗压相近。铸铁材料塑性差，其抗拉远小于抗压强度，抗剪优于抗拉低于抗压。故在工程结构中塑性材料应用范围广，脆性材料最好处于受压状态，比如车床机座。

三、拉压弹性模量E测定试验报告

实验数据记录及处理：

(一)碳钢试件尺寸

计算长度L =__100___mm直 径d =__10___mm

截面面积A =___78.5____mm2

平均(ΔA1)=平均(ΔA2)=

(1)(A2)

= 左右两表读数差平均值:(A)

2

平均伸长增量(ΔL)=__________mm

碳钢弹性模量 E

PL

MPa

(LA)

问题讨论：

1、 试件的尺寸和形状对测定弹性模量有无影响为什么

答: 弹性模量是材料的固有性质，与试件的尺寸和形状无关。

2、 逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量是否相同为什么必须用逐级加载的方法测弹性模量

答: 逐级加载方法所求出的弹性模量与一次加载到最终值所求出的弹性模量不相同，采用逐级加载方法所求出的弹性模量可降低误差，同时可以验证材料此时是否处于弹性状态，以保证实验结果的可靠性。

四、低碳钢剪切弹性模量G测定实验报告标准答案

实验数据记录及处理： (一)试验数据及计算结果

MnL032MnL0

G4

力学实验示范中心的建设 篇3

关键词：实验教学；教学理念；方法与手段；教学模式；创新能力

浙江大学力学实验教学中心2006年被评为国家实验教学示范中心，且名列前茅。力学实验教学中心，以“基于创新性实验教学”和“大学生自主性实验”等理念为导向，以培养知识、能力和素质相结合的研究型大学创新人才为目标，依托浙江大学工科基础课程力学教学基地，进行了多年的实验教学改革和积累。

一、教学理念

在实验教学中，主要遵循“加强基础、注重能力、培养素质、激励创新”的教学原则，在提高教学质量和效果的前提下，探索和实践以培养学生综合素质、创新能力及工程应用能力为目标的研究型实验教学模式。早在改革开放之初，就尝试对本科生力学实验教学课程体系进行改革，并取得显著成效，以1993年“水力学与工程流体力学教学实验综合改革”获国家优秀教学成果一等奖为代表。1997年在浙江大学“国家工科基础课程力学教学基地”建设中，开始实施面向21世纪基础力学实验教学改革。按照知识、能力、素质并重的人才培养要求，以培养学生综合素质和创新能力为目标的基础课的研究型实验教学，一方面巩固和加强基础实验，另一方面开发设计性、综合性、研究性实验。在实验实践过程中，形成了“开放式、自助式与自主设计式”相结合的实验教学新模式，逐步由开放式教学，向自助式，到自主设计创新式实验教学发展。中心开展并实现了“基本型一提高型一自主型”的多层次实验课程教学新体系，实验教学目前主要包括“基本型实验”和“提高型实验”两大部分，基本型实验教学体系与理论教学紧密结合；提高型实验包括综合型实验、创新设计型实验和研究型实验，提高型实验的目标是培养学生综合实践能力和创新思维、开拓学生视野。

二、实验教学方法与手段

1实验设备的先进性、标准化和适用性

为保证基础力学实验教学能够充分体现现代科学技术的发展趋势，符合工程实际的要求，有利于学生建立规范化实验和测试的概念，中心在实验仪器设备配置、教学实验设备研制、实验项目开发中，十分注意实验技术的先进性、标准化和适用性。中心对基础力学实验技术的配置特别注意掌握以下三点：

(1)现代技术与传统技术结合运用。

(2)利用计算机技术提高原有设备的性能和使用效率。

(3)开发新技术，克服原有实验技术的缺点。近lO年来，中心将基础力学实验技术的更新与示范辐射有机结合，实现在技术、经济效益及社会效益上的互动发展，使我校基础力学实验教学水平整体上了一个新台阶，大大提高了力学实验教学质量和效率。

理论力学、材料力学、流体力学(水力学)均开发出一系列以小型化、集成化、可视化为特点的自制实验教学仪器和设备，部分自制设备实现了数字化。其中理论力学在全国率先开展了实验教学，并协助全国30余所高校创建了理论力学创新实验室。流体力学与水力学自制实验教学仪器具有技术先进、测量精度高，流动现象可视性强，小型化、自循环供水、操作简便等特点，达到了“国际领先水平”，并辐射到全国250余所高校，极大地改善了全国的流体力学实验教学条件。中心的自制实验教学仪器和设备，跟踪国内外科学技术的发展水平，在教学改革实践中不断更新、升级，充分体现了实验技术的先进性。

2实验教学的数字化与自动化

数字化力学实验教学系统，是以力学的众多软件资源为基础和纽带，结合课堂教学、实验教学、实践练习、实验数据处理软件、实验控制、实验导航及网站等模块，建设立体化和网络化的教学资源体系。实验教学充分利用现代教育技术，结合“新世纪网络课程”和国家精品课程，建成了实验室TOP2000局域网、校园网和因特网三个层次的网络化实验教学体系，实现了现代化的网络实验教学，使实验教学和理论教学紧密结合，在时间和空间上得到了拓展和延伸，为培养学生的自学能力和创新设计能力提供了良好的实验教学环境。

流体力学的实验仿真和辅助CAI软件在1997年获全国高校工科CAI优秀成果一等奖的基础上不断升级，内容包括15项实验的仪器仿真、动态操作、实验原理、数据采集、成果分析、操作指南和问题解答，并结合多媒体和动画形式提高教学效率。在实验室布置上，通过引进TOP2000计算机网络教学系统，将实验仪器与计算机结合在一起，使CAI辅导代替教师辅导和仪器操作结合起来。设计辅助数据处理软件包括对应15项操作类实验的实验数据处理软件包。实验教学的数字化使得教师的教和学生的学在时间和空间上紧密结合，为立体化教学和个性化教学奠定了基础。

在实验装置中，利用计算机进行数据采集、数据处理及演示，及实现部分实验设备的自动控制，来开拓学生视野，激发学生实验过程中仪器设备数字化应用的能动性。例如光弹性实验，通过为光弹性仪配置数字图像系统，不仅明显地改善了实验效果，而且使实验效率大幅度提高。在流量和水位控制实验中，利用自主开发的软件集成文丘里、孔板、电磁、涡轮四种流量计与流量控制、水位演示及水位自动控制，形成了综合性的实验演示、量测、数据采集、控制为一体的自动化实验教学平台。

3创新能力培养的多层次、多步骤、全方位实验教学方式

根据各课程特点，分别实施了不同的实验教学方式。材料力学和理论力学实验教学提出并实践了“三段法”：第一阶段是基本实验的前半部分，包括演示实验和学生自己动手的实验，由教师讲解或指导完成；第二阶段是基本实验的后半部分。由学生按照实验指导书规定的要求独立完成，教师一般不做指导；第三阶段是提高实验，由学生自己选择实验项目，依照指导性研究目标，自己制订实验方案，独立完成实验。

工程流体力学实验教学提出并实践“开放式一自助式一创新设计式”实验教学。自主设计创新实验是改革以验证性为主的实验教学旧模式，按照培养学生综合实验技能、分析解决问题能力和创新研究能力的要求开设项创新设计式实验，让学生自主设计实验装置，并完成加工、测量、数据处理、报告总结、答辩等一系列实验教学环节，由设计实验到实验成果的评比、答辩均由学生自主完成。大多数自主实验项目，是从科研项目中提炼出来，创新实验的开展过程以参考科研模式进行，使同学在实践科研过程中进行创新。自主式实验深受学生欢迎，取得了良好的教学效果。实验教学中不断引入高水准研究成果，开发了一批创新型实验项目。如西湖流场电拟实验、冲排沙旋流器实验设计与试验、流量检测

与控制实验、新型渗流实验等。现中心新开发综合型、研究型和设计型教学实验40多项，极大地提高了学生的学习兴趣和创新意识。

三、实验教学的拓展

在实验教学内容上和教学过程中，尽量融入工程实例，使实验与工程实际互动，增强学生的学习兴趣、新鲜感和工程思维能力。流体力学为提高学生的工程应用能力，将先进的科研设备通过演示方式展示其性能，与实验教学共享，作为现代量测和创新设计实验的平台。中心注重实验与科研相结合，将具有工程背景的实验装置转换为实验教学设备。在创新设计式实验中，充分开放实验室现有的教学科研资源，为培养学生科研能力与创新能力提供条件。

在实验教学改革中，革新实验教学观念，把实验教学与理论教学的关系由传统的实验完全从属于理论教学、为理论教学服务转变为二者互相配合、互相补充、互相促进的关系，充分发挥了实验教学巩固、加深课堂理论知识，培养学生分析解决实际问题能力和创新精神的作用。利用教学基地机制，教师将实验实例拓展到课堂理论教学中。如已经被全国70多所院校采用的流体力学课程电子教案中，结合实验和科研的flash动画与录像就多达百余个，并配有大量的从国内外科学研究实验和工程项目中提炼出来的工程图片资料，形象生动、丰富多彩，大大调动了学生的学习主动性和积极性。

在实验教学中，注重与第二课堂实践活动密切结合，积极开展SRTP活动(大学生科研训练项目)和各类学科性竞赛。实验教学中心对实验考核方式作了改进，并应用于实践中。

四、成果与特色

多年来，中心主编和参编实验类统编教材3本，主编教学软件光盘4套，自编实验讲义10本；获国家级精品课程1门、浙江省精品课程1门、承担省部级教改项目3项；获国家级教学成果一、二等奖4项，省部级奖励7项，校级奖励8项；发表教改研究论文80余篇。经过十多年的建设与实践，浙江大学国家力学实验教学示范中心已经形成了鲜明的特色：

(1)依托学科优势，优化资源配置，形成了实验教学与科研相结合的师资队伍，提高了力学实验教学中心的综合实力。

(2)将科研成果转化为教学资源，有效地提高了实验项目的设计性、研究性和创新性，形成了研究型大学力学实验教学课程新体系。

(3)研发了一大批具有自主知识产权的实验教学设备和装置，推广辐射到全国200多所院校，为提高全国基础力学实验教学的水平起到了良好的示范和辐射作用。

实验力学实验报告 篇4

关键词：实验力学教学,虚拟实验系统,虚拟现实技术

实验力学教学是力学和机械类专业本科生及研究生培养中一个重要环节.实验力学教学应以学生动手实验为主, 这是各种指导性大纲及绝大多数实验力学教教师的共识, 但目前大部分学校在教学实践中还很难达到这一要求:只讲课不做实验, 或仅做演示实验, 或十几个学生一组做实验的情况非常普遍, 这严重影响了实验力学的教学效果[1].导致上述问题的主要原因有两方面:第一是实验仪器台套数上的不足, 第二是实验教学师资力量, 尤其是实验技术人员上的不足.然而, 以上两方面的不足很难在短期内得到解决或缓解.目前, 基于计算机仿真和虚拟现实技术, 很多领域都建立先进而实用的仿真系统, 如虚拟装配系统、虚拟训练系统等[2], 如利用这项技术建立力学虚拟实验系统, 则有助于解决上述问题[3,4].

实验力学教学人员以往也常用一些多媒体课件或更复杂的软件仿真力学实验的结果, 但这些课件或动画只仿真结果, 实验操作者感受不到真实的仪器, 也不能进行自主操作, 因而与真实实验有很大区别, 对实验教学的促进作用有限.本文发展一种基于虚拟现实技术及三维模型操控技术的新型力学虚拟实验系统, 系统除对各种实验方法实现结果仿真外, 最重要的是实现了仪器的真实再现和操控.操作者除了用鼠标代替手进行实验操作外, 整个实验过程与真实实验没有区别.因而, 此虚拟实验系统可作为实验教学的强有力的补充, 甚至在一定程度上替代真实实验.力学虚拟实验系统包括光弹性、电子散斑干涉、几何云纹、投影条纹、数字图像相关及应变片实验共6个模块, 每个实验模块都能够对相应实验方法的仪器装置、实验操作、实验结果和数据处理实现全方位模拟.力学虚拟实验系统的造价和运行成本低, 可在网络上开放, 因此可在很大程度上缓解由于仪器台套数和师资不足而导致的实验力学教学中存在的问题, 从而大大促进实验力学教学.

1 力学虚拟实验系统的实现

力学虚拟实验系统的特点体现在:用三维显示技术真实再现实验仪器, 实现了实验场景的真实化;用立体模型操控技术实现仪器的个性化操作, 解除对具体实验过程的步骤化限制, 实现了实验操作过程的真实化;用高性能算法完成实验结果的真实再现与实时显示, 进一步加强了实验过程的真实化.

图1给出了虚拟实验系统中各实验模块的结构及其实现方法, 模块的实现可分为5部分:实验界面、虚拟实验仪器及模型、虚拟实验操作、虚拟实验结果生成和实验数据处理.系统界面总体控制实验过程, 实现各部分功能的串接, 用Visual Basic实现;虚拟实验仪器及模型部分对实验仪器及试件进行三维建模并显示, 用3D Studio Max实现;虚拟实验操作部分实现用鼠标在三维场景中进行实验操作的功能, 利用虚拟现实软件EON Studio实现[5];虚拟实验结果生成部分按操作中的实验参数实时生成实验结果 (如条纹图等) , 用C++语言实现 (为实现实时显示结果, 对算法进行了并行化处理) ;实验数据处理部分对所得实验结果进行处理获得最终结果 (如应力场、位移场等) , 用C++语言实现.

以光弹性实验为例介绍虚拟实验系统中实验模块的功能和操作[6].虚拟光弹性实验界面如图2 (a) 所示, 其中的光弹仪根据中国船舶重工集团公司第七一一研究所生产的DPH-1型同步数字光弹仪 (如图2 (b) 所示) 的真实外观和尺寸构建 (加载部分进行了少许改造) , 试件和相应夹具等也根据相应尺寸和外观绘制.

进入实验界面后, 可通过“实验介绍”学习实验目的、实验原理和实验操作等.可在三维实验场景中放大、缩小及旋转三维图形, 从各角度近距离观察光弹仪的组成 (当鼠标移过某元部件时, 会显示相应的元部件名称及操作提示) , 达到深入认识实验仪器的目的.实验仪器的操作与真实光弹仪完全类似 (如图3所示) :打开光弹仪光源, 通过点击光源控制器可切换光源为白光或单色光;点击并旋转检偏镜 (角度值可由刻度盘读出, 可调整亮场和暗场;点击四分之一波片可实现对四分之一波片的安装和拆卸, 切换平面偏振光场和圆偏振光场;旋转同轴转动手轮, 可实现检偏镜与起偏镜的同步旋转, 实现等倾线的观测.以上操作不限制先后顺序, 操作者完全可根据自己意愿随意操作.在虚拟光弹仪上进行实验的方法也与在真实光弹仪上一样:先安装试件, 在实验操作台上用鼠标点击选择试件及相应的夹具, 通过鼠标拖动试件和夹具将其置于光弹仪的加载装置中 (图2中例子选中了圆环试件和压缩夹具) .然后进行加载, 点击并旋转加载手轮对试件进行加载, 通过力传感器可读取载荷数值, 以此控制载荷的大小.在操作中, 系统会实时计算并显示检偏镜后出现的干涉光场结果.加载结束后, 可保存等倾线和等差线的条纹图像, 然后通过实验数据处理程序分析试件的应力场.

虚拟实验系统其他实验模块也按同一原则设计, 与虚拟光弹有同样的效果.

2 力学虚拟实验教学的特点及作用

基于虚拟现实技术的力学虚拟实验系统可在计算机上完全仿真力学实验的结果、仪器以及操作过程, 且建设成本低, 并可在网络上运行.因此, 力学虚拟实验系统可以大大缓解各高校, 特别是大幅度扩招的高校在实验仪器台套数和师资严重不足的情况下高质量地开设力学实验的困境.另一方面, 引入力学虚拟实验系统, 也可大大促进现有的力学实验教学:实验预习、仪器熟悉及基本实验步骤的练习可直接在虚拟实验系统上, 让学生在课余时间进行, 从而节省实验课时和师资;在真实实验仪器上进行少量实验后, 大量的对比性实验可让学生在虚拟实验系统上进行, 这些可在不损害实验教学效果的情况下, 大大增加实验内容;此外, 虚拟实验教学系统也可用于实验理论或材料力学等课程的课堂教学, 以直观的结果加深学生对相关内容的理解.

3 结论

在“真实性”原则的指导下, 基于先进的虚拟现实显示和三维模型操控技术, 结合实验力学仿真方法, 建立了包含光弹性、电子散斑干涉、几何云纹、投影条纹、数字图像相关、应变片实验的力学虚拟实验系统.虚拟实验系统中各实验模块达到了对实验仪器、场景、实验过程和实验结果的真实仿真, 因此可在一定程度上替代真实仪器进行实验教学.需要指出的是, 力学虚拟实验教学虽然“好用”, 但不能“滥用”, 虚拟实验还不能完全代替真实实验, 因为在虚拟实验系统中学生遭遇不到真正实验仪器操作中的实际问题.虽然如此, 力学虚拟实验可以作为实验力学教学的一个重要补充, 正确使用力学虚拟实验系统, 可大大改善高校实验力学教学的困境, 促进实验力学教学效果.

参考文献

[1]刘凤泰.关于实验教学改革的问题.实验技术与管理, 2000, 17 (4) :6-10

[2]黄斌, 姚正军, 王红杰等.材料力学性能检测虚拟实验的设计和开发.实验力学, 2005, 20 (4) :573-578

[3]计欣华, 张丽娜, 陈金龙等.光力学虚拟实验室.庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会2007论文摘要集 (下) , 2007.828

[4]杜华, 谢惠民, 刘战伟.虚拟云纹实验方法及应用.力学与实践, 2005, 27 (1) :80-82

[5]于辉, 赵经成, 付战平等.EON入门与高级应用技巧.北京:国防工业出版社, 2008

物理力学实验演示报告 篇5

【实验目的】：

1、通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，使学生加深了解在重力场中物体总是以降低重心，趋于稳定的运动规律。

2、说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。

【实验仪器】：锥体上滚演示仪

【实验原理】：能量最低原理指出：物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。

本实验中在低端的.两根导轨间距小，锥体停在此处重心被抬高了;相反，在高端两根导轨较为分开，锥体在此处下陷，重心实际上降低了。

实验现象仍然符合能量最低原理。

【实验步骤】：

1、将双锥体置于导轨的高端，双锥体并不下滚;

2、将双锥体置于导轨的低端，松手后双锥体向高端滚去;

3、重复第2步操作，仔细观察双锥体上滚的情况。

2、混沌摆

【实验目的】：通过摆的运动演示该力学系统的混沌性质。

【实验仪器】：混沌摆

【实验原理】：一个动力学系统如果描述他的运动状态的动力学方程是线性的，只要初始条件给定，就可预见以后任意时刻的运动状态。

我们的动力学系统描述它的运动状态的动力学方程是非线性的，具有内在的随机性，它的运动状态对初始条件具有很强的敏感性，系统运动的外观表现是随机的，是一种貌似无规律的运动

【实验步骤】：手持轴柄给系统施一力矩，系统开始运动，运动情况复杂，前一时间难于预言后一时刻的运动状态。

重新启动，由于起始冲量矩总有所不同，雇系统的运动情况差别很大、这反映了系统运动的混沌性质。

3、避雷针

一、演示目的

气体放电存在多种形式，如电晕放电、电弧放电和火花放电等，通过此演示实验观察火花放电的发生过程及条件。

二、原理首先让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。

尖端电极放电，而球型电极未放电。

这是由于电荷在导体上的分布与导体的曲率半径有关。

导体上曲率半径越小的地方电荷积聚越多(尖端电极处)，两极之间的电场越强，空气层被击穿。

反之越少(球型电极处)，两极之间的电场越弱，空气层未被击穿。

当尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离时，其间的电场较弱，不能击穿空气层。

而此时球型电极与平板电极之间的距离最近，放电只能在此处发生。

三、装置一个尖端电极和一个球型电极及平板电极。

四、现象演示

让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。尖端电极放电，而球型电极未放电。接着让尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离，放电在球型电极与平板电极之间发生。

4、楞次定律

【实验目的】利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生的变化磁场与铝环的相互作用，演示楞次定律。

【实验仪器】楞次定律演示仪，铝环(3个)。

【实验原理】当线圈通有电流时，在铁芯中产生交变磁场，穿过闭合的铝环中的磁通量发生变化。

根据楞次定律，套在铁芯中的铝环将产生感生电流，感生电流的方向与线圈中的电流方向相反。

因此与原线圈相斥，相斥的电磁力使得铝环上跳。

【实验操作与现象】

1、闭合铝环的演示打开演示仪电源开关，将闭合铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，则闭合铝环高高跳起，保持操作开关接通状态不变，闭合铝环则保持一定高度，悬在铁棒中央。

断开操作开关时，闭合铝环落下。

把闭合铝环取下，将带孔的铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，则带孔的铝环也向上跳起，但跳起的高度没有闭合铝环高。

2、保持操作开关接通状态不变，带孔的铝环也保持一定高度，悬在铁棒中央某一位置，但还是没有闭合铝环悬的高。

断开操作开关时，带孔的铝环落下。

这是由于带孔的铝环产生的感生电流没有闭合铝环大，所以带孔的铝环没有闭合铝环跳的高。

3、开口铝环的演示把带孔的铝环取下，将开口铝环套入铁棒内按动操作开关。

当操作开关接通时，开口铝环静止不动。

这是由于开口铝环没有形成闭合回路，无感生电流，没有受到电磁力的作用，故静止不动。

4、演示完毕后，关闭

楞次定律演示仪电源。

【注意事项】不要长时间按动操作开关，以免使线圈过热而损坏。

5、阻尼摆与非阻尼摆

【实验目的】演示涡电流的机械效应。

【实验器材】阻尼摆与非阻尼摆演示仪

其中直流电源接线柱;矩形磁轭，作用是当线圈中通有直流电源时，可在磁轭两极缝隙中间产生很强的磁场;支撑架;摆架;非阻尼摆;横梁;阻尼摆;线圈;底座。

直流稳压电源。

【实验原理】处在交变电磁场中的金属块，由于受变化电磁场产生的感生电动势作用，将在金属块内引起涡旋状的感生电流，把这种电流称为涡电流。

金属摆在两磁极间摆动时，由于受切割磁力线运动产生的动生电动势的作用，也将在金属摆内出现涡电流。

根据安培定律，当金属摆进入磁场时，磁场对环状电流的上、下两段的作用力之和为零;对环状电流的左、右两段的作用力的合力起阻碍金属摆块摆进的作用。

当金属块摆出磁场时，磁场对环状电流的左、右两段的作用力的合力则起阻碍金属摆块摆出的作用。

因此，金属摆总是受到一个阻尼力的作用，就像在某种粘滞介质中摆动一样，很快地停止下来，这种阻尼起源于电磁感应，故称电磁阻尼。

若将金属摆制成有许多隔槽的，使得涡流大为减小，从而对金属摆的阻尼作用变的不明显，金属摆在两磁极间要摆动较长时间才会停止下来。

电磁阻尼摆在各种仪表中被广泛应用，电气机车和电车中的电磁制动器就是根据此原理而制造的。

【实验操作与现象】

1、把稳压电源输出的正负极连接到阻尼摆与非阻尼摆演示仪的直流电源接线柱，阻尼摆按图66-1所示接好。

2、打开稳压电源电源开关，先不要打开稳压电源的“输出”开关，即不通励磁电流，让阻尼摆在两极间作自由摆动，可观察到阻尼摆经过相当长的时间才停止下来(不考虑阻力)。

3、再打开稳压电源的“输出”开关，电压指示为28伏，此时在磁轭两极间产生很强的磁场。

当阻尼摆在两极间前后摆动时，阻尼摆会迅速停止下来，说明了两极间有很强的磁阻尼。

解释现象。

4、将带有间隙的类似梳子的非阻尼摆代替阻尼摆作上述2实验，可以观察到不论通电与否，其摆动都要经过较长的时间才停止下来。

为什么?

【注意事项】

1、操作前应把矩形磁轭和支撑架调整到位，确保摆动顺畅。

2、注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。

6、通电、断电自感现象

【实验目的】演示通电、断电自感现象，了解产生自感的原因。

【实验器材】通电、断电自感演示仪。

【实验原理】线圈中电流i发生改变时，通过自身回路的磁通量ψ发生变化，从而产生自感电动势。

理论计算表明i?Ldi(67-1)dt称为自感系数(电感)。

由式(67-1)可知，在通电时，因为自感作用使的电流缓慢增加。

当在断电瞬间，因为di相当大，从而产生一个相当高的自感电动势。

dt实验原理图如67-1所示，~220V交流电压经变压器降压、桥式全波整流电容滤波之后输出直流电源E。

由于通电的一瞬间、电感L会产生一个自感电动势。

同样，断电的瞬间，电感也会产生一个自感电动势。

【K1+验操作与现象】

1、通电自感现象首先将K1、K2断开，再接通交流电源，按下K1开关，同时观察灯泡L1L2亮的顺序。

可看到当K1接通的瞬间，灯泡L1先亮，灯泡L2后L1才亮。

这是由于K1接通瞬间，L1直接并接在电源E上，所以接通后，它马上就亮;而L2是与电感L串联之后才并接在电源上的，电感L会产生一个自感电动势，使得L2滞后于L1。

这就充分说明了通电时的自感现象。

为了看的清楚可以反复将K1接通和断开。

2、断电自感现象1、K2断开，接通交流电源，按下K1开关，此时灯泡L1和L2亮着，可顺便观察通电自感现象。

将K2合上，即将L2短路，再把K1断开，即断开直流电源E，同时注意观察。

可以发现在断电的瞬间，L1突然亮了一下，比正常通电时还亮，这就是断电自感现象。

由于，断电的瞬间，电感L也会产生一个自感电动势，并通过L1放电，使得L1发光。

为了观察清楚，可以反复将K1通断。

【注意事项】

1、因为演示板背后电源变压器初级为~220V，切勿触摸，防止触电。

2、演示仪不能承受剧烈振动，防止将灯泡振坏。

7、聚焦实验

【实验目的】演示运动电荷在磁场中受到的洛仑兹力和磁场对电子束的聚焦作用。

【实验器材】示波管，聚焦线圈，磁场开关，电源开关，灰度调节，位移调节，线圈电源插座。

其中电源电压交流220V，示波管采用8SJ31J示波管，其加速电压为1100V，外型尺寸400280260mm。

【实验原理】当带电粒子沿与磁场B角方向以速度v斜向进入磁场时，磁场对其v?的分运动作用，使之在垂直B的平面内作匀速率圆周运动，磁场对v//的分运动无作用，粒子在沿B方向上作匀速直线运动。

结果带电粒子沿B方向作螺旋线运动。

开设建筑力学实验课的探讨 篇6

介绍了建筑力学实验课具体的实验方案，以及建筑力学实验对培养创新人才的重要性。

关键词：创新人才；课程改革；教学实验

中图分类号：TU-4 文献标志码：A 文章编号：10052909（2015）05010602

一、构建建筑力学实验课体系

为了创建一流的研究型大学，除了课堂教学之外需要建立一套完备的实验教学体系。建筑力学课程是由理论力学、材料力学、结构力学的部分内容组合而成，授课学时为80左右[1]。

建筑力学实验课的开设有良好的基础条件，因为理论力学，材料力学，结构力学这3门课程中已有了实验课的基本内容，根据建筑力学的课程需求，可以选择一些现有的实验条件和成熟的实验内容，适当组合即可开设出有特色的实验课。培养全面发展的高素质人才是教育为人民服务的根本落脚点。教育促进人的全面发展，就是要使人生动活泼地发展，而不是被动地、机械地发展。这就要改变陈旧的教育方法，以学生为本，根据学生个体的实际情况制定教学策略，突出个性教育，以培养富有鲜明个性的人才。正是基于上述原则和理念，哈尔滨工业大学开设了全新的建筑力学实验课程。

二、利用现有资源，整合实验课内容，开设系列实验课

建筑力学课程本身就是理论与实践密切结合的一门课程，怎样利用实验室资源，开设出有特色的实验课，这是一个非常重要的课题。

但是，如果认为建筑力学已建立了完整的理论体系，只须靠数学演绎得到新的理论与结论，则是完全错误的，这对于学习建筑力学更是有害的。这是因为，

随着科学的发展，人们不断产生新的概念，因此必须进一步建立新的、更符合实际的力学模型和相应的理论。只有这样，建筑力学的内容才能日益丰富。人类已进入21世纪，科技进步日新月异，新的发明和发现层出不穷。但是，这一切都需要通过实验来验证。英国科学家培根说过：“没有实验，便没有科学。”丁肇中教授说：“做实验确实非常重要，因为任何理论没有实验证明，是没有用的。实验可以推翻理论，理论绝对不能推翻实验。[2]”就培养创新人才来说，实验教学以其独特的方式成为培养创新人才的重要环节。它对于全面实施

素质教育，培养学生洞察事物的能力、动手操作的能力、分析问题和解决问题的能力以及正确的思维方式和严谨的工作作风起着不可代替的作用。通过实验教学将激发学生的创新意识，提高学生的创新能力，为拔尖人才的脱颖而出创造良好的环境。

目前，国内建筑力学实验教学尚处于空白状态，我校也处于刚刚起步阶段。由于无现成的样板可效仿和遵循，只能走自力更生的创新之路。开设新实验课有两大要素——硬件和软件。我校从硬件开始，以有利于创新人才培养为切入点，在多年开设力学实验的基础上，利用已经研制成功的5种大型多功能组合试验台，选出其中3种投入使用，并取得预期的效果[3]。我校把试验台定位在高起点、高性能和经济实用的标杆上，运用高科技手段，使实验装置现代化、信息化。要培养学生的创新精神，自我研制的实验装置也必须具备创造性和新颖性的特征，使学生在熟悉实验装置的过程中就能受到激发创新能力的教育和熏陶。建筑力学实验课的目的是让学生加深对相关理论的感性认识，掌握实验设计方法与技能，引导学生对新事物进行探索，运用所积累的理论和实践知识解决问题。

建筑力学课程目前设置了4个必做实验：即①静、动滑动摩擦系数的测定，2学时，为设计实验，每组人数为5人；

②材料的拉伸、压缩实验，2学时，为验证实验，每组人数2人；

③测定材料的弹性模量，2学时，为验证实验，每组人数2人；

④梁的弯曲正应力电测实驗，2学时，为综合实验，每组人数2人。

三、建筑力学实验课的作用和效果

（一）为教学内容和课程体系改革开辟了新天地

教学内容和课程体系改革是教学改革的重点和难点。面对新世界的挑战和日趋激烈的国际竞争，我们必须培养大批创新人才，这就使得改革教学内容和课程体系、提高人才培养质量更具有必要性和迫切性。长期以来形成的建筑力学只讲理论而无实验的格局已不适应社会发展与进步，必须打破，把广大师生从陈旧的课程体系的框框中解放出来。

（二）为培养创新人才构建全新的教学环境

美国耶鲁大学校长理查德·莱温说：“希望我们的学生不光在课堂上非常活跃，而且在课堂外不断地思考和参加各种各样的社会活动。”实验室是大学教育为学生提供知识和能力训练的重要课堂，是反映学校教学质量和教育水平的窗口。建筑力学实验课激发了学生探索自然奥妙的积极性和求知欲望。事实证明，学生对实验内容是满意的，教学效果是良好的。

（三）为培养创新人才创造良好的学术氛围

素质教育的目的是培养面向新世纪的创新人才，这里要强调的是人的创新素质。创新素质是人才综合素质的集中表现，它的基本含义是指一个人的心理、思想品质和实践能力应具有开拓性、独创性、新颖性的特点；它的基本特征是：具有超人的成就意识、责任感和使命感，具有丰富的想象力和求异思维能力以及整合知识的能力。这些素质必须要求学生参加创造实践才能获得，而实验教学正好从这方面为学生创造了良好的学术氛围。这里以我校开发出的多功能组合实验为例略加说明。由于所开发出的仪器具有通用性（可用不同原理进行测试），所以学生可对实验方案进行设计、比较、调动了学生的创造性。这种实验方法保护了学生的创造性思维和探索精神，体现了以“学生为本”的理念，是以学生为中心的教学方法。这种方法在培养学生严谨的科学作风和亲密合作的团队精神等方面也都起到积极作用，收到良好效果。

开设建筑力学实验课是一个全新的事物，目前尚处于起步阶段，有很多问题需要继续研究和探索，我们相信只要进一步解放思想，开拓创新，就一定能够取得新的进展。参考文献：

[1] 李前程，安学敏.建筑力学[M].高等教育出版社，2013.

[2] 赵彤，李前程，等.关于创建理论力学开放式实验室的思考[J].实验室研究与探索，2003（6）：116-118.

盘点2012年高考力学实验 篇7

实验一游标卡尺和螺旋测微器的读数

例1仪器读数:图1 (甲) 中游标卡尺的读数是______mm;图1 (乙) 中螺旋测微器的读数是______mm.

解析:游标卡尺的读数=100 mm+0.05 mm×10=100.50 mm.螺旋测微器的读数=3 mm+0.01 mm×20.0=3.200 mm, 在 (3.198 mm-3.202 mm) 范围内的也对.

点评易错警示:对游标卡尺和螺旋测微器的读数原理理解不够, 没有熟练掌握读数方法, 主要有以下几个方面: (1) 不注意主尺上的单位; (2) 不注意零刻度线; (3) 把握不准精度.

实验二研究匀变速直线运动

例2在“研究匀变速直线运动”的实验中, 打点计时器使用的交流电的频率为50 Hz, 记录小车运动的纸带如图2所示, 在纸带上选择0、1、2、3、4、5的6个计数点, 相邻两计数点之间还有四个点未画出, 纸带旁并排放着有最小分度为毫米的刻度尺, 零点跟“0”计数点对齐, 由图2可以读出三个计数点1、3、5跟0点的距离填入表1中.

计算小车通过计数点“2”的瞬时速度为v2=_____m/s.根据表格中的数据求出小车的加速度是a=_____m/s2. (计算结果保留三位有效数字)

解析:由图可以读出:d1=1.20cm (1.18～1.20) cm, d2=5.40 cm (5.38～5.40) cm, d3=12.02 cm (12.01～12.02) cm, 由题意知, T=5T0=0.1 s, 变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度, 即, 得, 再由v4-v2=a·2T得:

点评:纸带数据处理方法: (1) 公式法; (2) 图象法:v-t图象.

实验三验证力的平行四边形定则

例3李瑞雪同学做“探究求合力的方法”实验时, 进行了如下操作:

(1) 他的实验步骤是:

(A) 在桌上放一块方木板, 在方木板上铺一张白纸, 用图钉把白纸钉在方木板上;

(B) 用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点, 在橡皮条的另一端拴上两条细绳, 细绳的另一端系着绳套;

(C) 用两个弹簧测力计分别钩住绳套, 互成角度地拉橡皮条, 使橡皮条伸长, 结点到达某一位置O, 记录下O点的位置, 读出两个弹簧秤的示数;

(D) 按选好的标度, 用铅笔和刻度尺作出两只弹簧秤的拉力F1和F2的图示, 并用平行四边形定则求出合力F;

(E) 只用一只弹簧测力计, 通过细绳套拉橡皮条使其伸长, 读出弹簧测力计的示数, 记下细绳的方向, 按同一标度作出这个力F'的图示;

(F) 比较力F'与F的大小和方向, 看它们是否相同, 得出结论.

上述步骤中: (1) (1) 有重要遗漏的步骤的序号是_____和______; (2) 遗漏的内容分别是______和______.

(2) 他根据测量结果在白纸上画出如图3所示的图 (F与AO共线) , 图中_____是F1与F2合成的理论值;_____是F1与F2合成的实际值.

解析: (1) 步骤 (C) 中只有记下两条细绳的方向, 才能确定两个分力的方向, 进一步才能根据平行四边形定则求合力;步骤 (E) 中只有使结点到达同样的位置O, 才能表示两种情况下力的作用效果相同.所以遗漏的步骤的序号为 (C) 和 (E) , 遗漏的内容分别是记下两条细绳的方向和使结点到达同样的位置O. (2) F1与F2合成的理论值是由平行四边形定则作图得到的, 由于误差可能不与OA共线;而F1与F2合成的实际值一定与OA共线 (二力平衡) .故F'为F1与F2合成的理论值, F为F1与F2合成的实际值.

点评:本题的关键在于理解两个分力与合力的作用效果是使橡皮条结点到达同样的位置O.

实验四探究加速度与力、质量的关系

例4“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图4所示.

(1) 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中, 打出了一条纸带如图5所示, 计时器打点的时间间隔为0.02 s.从比较清晰的点起, 每5个点取一个计数点, 量出相邻计数点之间的距离, 该小车的加速度a=_____m/s2. (结果保留两位有效数字)

(2) 平衡摩擦力后, 将5个相同的砝码都放在小车上, 挂上砝码盘, 然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中, 测量小车的加速度.小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如表2所示, 请根据实验数据在图6中作出a-F的关系图象.

(3) 根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过原点, 请说明主要原因.

解析: (1) 或. (2) a-F图线如图7所示. (3) 小车、砝码盘和砝码组成的系统所受合外力为砝码盘和砝码的总重力, 而表中数据漏计了砝码盘的重力, 导致合力F的测量值小于真实值, a-F的图线不过原点.

点评:实验前, 必须平衡摩擦力, 方法是将长木板的一端垫起, 而垫起的位置要恰当.在位置确定以后, 不能再更换倾角.本实验中是保持系统的总质量不变.

实验五研究平抛运动

例5用图8所示的实验装置做“研究平抛物体的运动”实验.对于实验的操作要求, 下列说法正确的是 ()

(A) 应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滚下

(B) 斜槽轨道必须光滑

(C) 斜槽轨道末端可以不水平

(D) 要使描出的轨迹更好地反映真实运动, 记录的点应适当多一些

(E) 为了比较准确地描出小球运动的轨迹, 应该用一条曲线把所有的点连接起来

解析:为保证平抛运动的初速度相同, 应使小球每次从斜槽上相同的位置自由滚下, 轨道可以是不光滑, (A) 正确, (B) 错误;平抛运动的初速度方向要求是水平的, 则斜槽轨道末端一定要是水平的, (C) 错误;要使描出的轨迹更好地反映真实运动, 记录的点应适当多一些, (D) 正确;为了比较准确地描出小球运动的轨迹, 应该画出一条光滑的曲线, 使大多数点在曲线上, 或者分布在曲线的两侧, 对于一些相差太大的点, 应该去掉, (E) 错误.

点评:本题的关键是掌握平抛运动的原理.

实验六探究功与物体速度变化的关系

例6某兴趣小组在做“探究功和物体速度变化关系”的实验前, 提出了以下几种猜想: (1) W∝v; (2) W∝v2; (3) W∝槡v.他们的实验装置如图9所示, PQ为一块倾斜放置的木板, 在Q处固定一个速度传感器 (用来测量物体每次通过Q点的速度) .在刚开始实验时, 有位同学提出, 不需要测出物体质量, 只要测出物体初始位置到速度传感器的距离和读出速度传感器的读数就行了, 大家经过讨论采纳了该同学的建议.

(1) 请你简要说明为什么不需要测出物体的质量?

(2) 让小球分别从不同高度无初速释放, 测出物体初始位置到速度传感器的距离L1、L2、L3、L4…, 读出小球每次通过Q点的速度v1、v2、v3、v4、…, 并绘制了如图10所示的L-v图象.若为了更直观地看出L和v的变化关系, 他们下一步应怎么做?

(3) 在此实验中, 木板与物体间摩擦力的大小会不会影响探究出的结果, 为什么?

解析: (1) 合力做功W=FL, F一定时, W∝L, 可以用L来表示W, 可以不需要测出物体的质量; (2) 下一步应该绘制L-v2图象; (3) 不会, 摩擦力和重力的合力对物体做功也与距离L成正比.

点评:当合外力是恒力时, 用L来表示W, 而没有直接去计算出W, 为研究问题带来了便利, 这是一种很重要的物理思想————等效替代的思想, 课本中利用橡皮筋的条数来表示力做的功也是用了这种思想, 本题是这种方法的迁移运用.在物理实验中, 对于数据处理的方法有两种:公式法和图象法, 图象法的优点是形象直观反映出物理量之间的变化关系.

实验七验证机械能守恒定律

例7利用如图11所示的装置验证机械能守恒定律, 图中AB是固定的光滑斜面, 斜面的倾角为30°, 1和2是固定在斜面上适当位置的两个光电门, 当光电门中有物体通过时与它们连线的光电计时器 (都没有画出) 能够显示挡光时间.让滑块从斜面的顶端滑下, 光电门1、2各自连接的光电计时器显示的挡光时间分别为5.00×10-2s、2.00×10-2s.已知滑块质量为2.00kg, 滑块沿斜面方向的长度为5.00 cm, 光电门1和2之间的距离为0.54 m, g取9.80 m/s2, 取滑块经过光电门时的速度为其平均速度.

(1) 滑块通过光电门1时的速度v1=_____m/s, 通过光电门2时的速度v2=_____m/s.

(2) 滑块通过光电门1、2之间的动能增加量为_____J, 重力势能的减少量为______J. (3) 由以上数据, 得出的结论是______.

解析:本实验的原理是分别确定出滑块动能的增加量ΔEk和滑块重力势能的减少量ΔEp, 判断ΔEk与ΔEp是否相等. (1) 光电门记录的瞬时速度等于经过光电门时的平均速度在实验误差允许的范围内, ΔEk=ΔEp, 所以小车沿斜面下滑过程中机械能守恒.

力学实验探究能力培养例析 篇8

关键词：学生,力学,探究,培养

由于力学知识中所涉及的实验比较多, 有助于培养学生良好的实验探究能力。 下面结合生活中常见的弹力、重力、摩擦力, 研究如何充分利用力学实验培养学生的实验探究能力。

一、培养对实验的分析论证能力

例1 ( 2015 年江苏省宿迁市中考物理题) :小明用如图1 所示实验装置探究影响滑动摩擦力大小的因素。 ( 1) 实验中, 小明将长方体木块 ( 长、宽、高各不相同) 置于水平木板上, 用弹簧测力计沿水平方向拉动, 应使木块做____运动。

( 2) 在猜想了可能影响滑动摩擦力大小的因素后, 小明进行了相关实验, 记录的数据如下表:

1) 分析序号____两组数据可得出结论: 滑动摩擦力的大小与接触面积大小无关。 2) 分析序号①、②两组数据可得出结论:在接触面粗糙程度相同时, ____越大, 滑动摩擦力越大。 3) 小明发现自己的运动鞋底有较深的花纹, 这种现象可用分析序号____两组数据得出的结论来解释。

解析:本实验借助二力平衡的知识, 可以间接测出木块所受的滑动摩擦力大小, 因此应使木块做匀速运动。 根据控制变量法可知, 要研究滑动摩擦力的大小与接触面积大小是否有关, 必须保持接触面粗糙程度以及压力大小不变, 故应选①④。通过分析①②两组数据可知, 在接触面粗糙程度相同时, 压力越大, 滑动摩擦力越大。 小明发现自己的运动鞋底有较深的花纹, 这是为了增加接触面粗糙程度, 防止打滑, 这种现象可用分析序号②③两组数据得出的结论来解释。 答案: (1) 匀速直线。 (2) 1) ①④, 2) 压力, 3) ②③。

点评:本题通过设计实验情景, 巧妙地考查了学生对探究过程的分析论证能力和对数据、表格、图像的分析能力, 同时领会了控制变量的科学探究方法, 是一道较有深度的科学探究考查题。 通过该类型的实验探究, 可以提高学生们的实验分析论证能力。

二、培养对实验的创新设计能力

例2:小丽用身边的器材做实验, 验证杠杆的平衡条件。 ( 1) 塑料直尺放在圆柱形水杯上, 使其在水平位置平衡, 如图2 甲所示。 则支点O与直尺的____ 一定在同一竖直线上。 ( 2) 往直尺两端放不同数量的相同硬币, 并调节硬币位置, 使直尺在水平位置平衡, 如图2 乙所示。 1) 若将左、右两侧各取下一枚硬币, 则直尺___ 端将下沉。 2) 小明测出乙图中的L1、L2作为力臂的大小, 是否正确? 为什么?

解析:解答本题时应紧扣杠杆平衡条件进行分析。 图甲中要想保持平衡, 支点O与直尺的重心一定要在同一竖直线上。图乙中若将左、右两侧各取下一枚硬币, 可以使用极端假设法分析杠杆是否仍能保持平衡, 假设左、 右两侧都取下两枚硬币, 则左端已没有硬币, 而右端仍有一枚, 故将往右端沉。 力臂是支点到力的作用线的垂直距离, 显然小明测出乙图中的L1、L2作为力臂的大小会比实际力臂更短。 答案: ( 1) 重心 ( 或中心) ; ( 2) 1) 右;2) 不正确。 因为力臂是支点到硬币重力作用线的垂直距离。 图中的L1、L2比实际力臂要更短。 点评:该题是一道简洁新颖的探究杠杆平衡条件的实验题, 该实验取材简单方便, 实验设计情景新颖, 特别是考虑到用圆柱形水杯作为支点, 想法独特且可靠, 增强了学生实验探究的积极性, 极大地满足了学生的好奇心。 该题旨在考查学生灵活运用物理知识解决实际问题的创新能力。 这就要求学生平时必须学好理论基础, 多动脑动手, 勤于实践, 善于总结, 做到理论联系实践, 这样才能有所创新。

三、培养灵活应对的综合探究能力

例3 ( 2015 年浙江省金华市中考物理题) 小柯在测量某铁块的重力时, 发现铁块的重力超出了弹簧测力计的量程, 一时又找不到其他测量工具, 为了测出该铁块的重力, 他找来木棒、细铁丝等物品进行如下改进:步骤一:将细线系在木棒的A位置, 在木棒的左端绕上适量的细铁丝, 使木棒处于水平位置平衡, 如图3 甲。 步骤二:用手指勾住弹簧测力计的B处, 对弹簧测力计进行调零, 如图3 乙。步骤三:在木棒左端挂上铁块, 右端用弹簧测力计竖直向下拉, 如图3 丙。 ( 1) 步骤一中, “ 在木棒的左端绕上适量的细铁丝, 使木棒处于水平位置平衡”是为了防止____测量结果的影响。 ( 2) 步骤三中, 当木棒处于水平位置平衡时, 弹簧测力如图3 丁所示, 则该铁块的重力是____N。

解析: 本题是一道将重力知识与杠杆平衡知识巧妙相结合的实验创新综合题。从步骤一及甲图中可知, 如果补在木棒的左端绕上适量的细铁丝, 木棒由于自身重心在支点A右端, 将无法保持平衡, 因此“ 在木棒的左端绕上适量的细铁丝, 使木棒处于水平位置平衡”是为了防止木棒自身重力对测量结果的影响。根据杠杆平衡知识, G.L/4=F.3L/4, 可得G=6.6N。 答案: ( 1) 木棒自身重力, ( 2) 6.6。

点评:本题是一道较好的重力探究拓展题, 而且紧贴生活实际进行考查, 使实验探究联系了热点生活, 增强了其实用性, 具有较强的实验创新和思维发散特点。从本题可看出, 要对实验进行综合探究, 必须先对教材中重力和质量关系的探究实验全面了解和掌握, 包括实验器材、原理、过程、表格设计、实验分析等, 在此基础上才能结合实际情况与所学的相关知识, 有的放矢地进行创新实验和发散思维。

四、结束语

通过以上几道力学实验题的探究整合, 我们可以看出在进行实验探究时, 我们使用的探究方法有控制变量法、分析归纳法等方法, 此外还可以使用转化法、作图法、表格法等多种辅助方法。这些方法对于培养学生的分析论证能力、实验创新能力以及综合探究等能力有极大的帮助, 因此要求学生在平时应注意强化自己的动手能力, 并且善于及时总结分析, 这样才能不断地提高自己的各种实验探究能力。

参考文献

[1]汤强红.学会原创初中物理试题[J].物理教师, 2006 (12) .

冻结管力学性能实验研究 篇9

关键词：冻结管,接头,低温,力学性能

1 实验内容

实验主要对冻结钢管来样在低温 (低于-32℃) 条件下的变形和承载能力进行测试。

2 试件加工及实验方法

实验管材有型号为140×6mm、159×6mm、159×7mm的冻结钢管共9根, 其中有对接6根, 无接头3根。冻结管焊接接头位于中部, 两节管材接头端各倒角45度焊接。为了装载测试传感器, 对来样中部焊缝、焊缝两边相距200mm位置各加工一块焊接钢片。钢管整体抗弯变形与承载能力测试按照国标执行, 所用的试件按国标加工。

整体抗弯变形与承载能力实验在1 000kN万能材料实验机上进行, 冻结管的长度为1 000mm, 跨距为900mm, 万能机上的支承座为简支梁的支点, 采用集中加载, 集中荷载作用于跨中, 每个试件安设3个电阻式位移传感器, 粘贴二片电阻应变片。低温条件用液氮汽化获得, 为了控制温度, 在管材中间的腰线部位设有两个热电偶传感器, 监控试件温度, 为使温度均匀, 先将液氮徐徐倒入冻结管中, 待温度均匀后, 开始加载, 测点布置见图1。实验过程中采用日产TDS—303型多功能测试仪对位移和应变同时进行监测。

加载方式为100kN之间以20kN分级加载, 100~200kN之间以10kN分级加载, 200kN以后以5kN分级加载至屈服。

3 实验结果分析

3.1 冻结管的承载能力

在简支、跨距900mm、低温条件下, 冻结管发生屈服时的最大承载力及平均值如表1所示。

由表1可知, 来样中两种类型冻结管及焊接接头实验强度离散性较小, 表明所检试件焊缝质量可靠。在相同低温条件下, 有焊缝等厚管壁焊接冻结管的承载力大于无焊缝等厚接头冻结管承载力。

3.2 冻结管的挠度

在简支、跨距900mm、低温条件下, 冻结管屈服时的跨中挠度实验结果如表2所示。

表2中的实验结果显示:在相同低温条件下, 有焊缝等厚管壁焊接冻结管屈服时的平均跨中挠度为76.0mm;无焊缝等厚管壁冻结管屈服时的平均跨中挠度为78.0mm。表明低温下冻结管屈服时, 无焊缝的冻结管试件跨中挠度越大, 其受弯曲后可变形性能越好。

各冻结管所受外荷载与试件中部应变、位移及试件两侧200mm处位移的关系曲线分别见图2~图9所示。

由图2~图9可知, 冻结管在加载过程中出现较明显的屈服卸载过程, 各试件屈服变形后, 跨中挠度与跨度之比达到4.5%~9.5%时, 所有实验管材均未发现焊缝开裂现象, 冻结管强度可靠。

4 结论

a.来样中两种类型冻结管, 焊接接头实验强度离散性较小, 表明所检试件焊缝质量可靠。在相同低温条件下, 有焊缝等厚管壁焊接冻结管的承载力大于无焊缝等厚管壁焊接冻结管承载力。

b.在相同低温条件下, 有焊缝等厚管壁焊接冻结管屈服时的平均跨中挠度为76.0mm;无焊缝等厚管壁冻结管屈服时的平均跨中挠度为78.0mm。表明低温下冻结管屈服时, 无焊缝的冻结管试件跨中挠度越大, 其受弯曲后可变形性能越好。

c.冻结管在加载过程中出现较明显的屈服卸载过程, 各试件屈服变形后, 跨中挠度与跨度之比达到4.5%~9.5%时, 所有实验管材均未发现焊缝开裂现象, 表明冻结管强度可靠。

参考文献

[1]张玉玲.低温对钢材及其构件性能影响研究综述[J].中国铁道科学2003 (4) :89-95.

[2]张宇本, 傅菊根, 周明荣, 等.冻结管常温和低温力学性能的实验研究[J].钢结构, 2010 (5) :23-26.

[3]张吉兆.冻结管常温和低温力学性能实验研究[J].煤炭技术, 2008 (12) :2-3.

结构力学钢桁架实验实践 篇10

结构力学[1]作为土木工程专业高等教育的重要组成部分, 对于高素质人才的培养有着承前启后的作用。长期以来, 结构力学教学工作以理论教学为主, 缺乏必要的实验教学作为支撑。这使得学生对于结构力学的学习难以有深入直观的了解, 不利于学生今后的深入学习。为了让学生能够更好的深入力学的学习, 并掌握实验研究的基本方法和技能, 增强开展实验研究的能力。目前, 国内大学已开始探索多种教学实验方法[2]。针对目前实验教学的需要, 结合已开展的实验教学的经验, 设计了一个固定式钢桁架结构力学实验系统。基于此实验系统, 学生能够运用所学的力学知识, 通过系统提供的结构, 拟定实验方案的具体步骤, 展开多种实验方案下的力学参数验证。通过实验学生可以进一步掌握结构力学桁架结构计算模型的简化原理, 理解理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。

1 实验装置概况

1.1 实验装置设计

本次实验设计了一个缩小尺寸的屋架式钢桁架结构, 该屋架跨度为3 000 mm, 高度为800 mm。桁架的截面为双等边角钢, 各节点均由节点板焊接连接, 钢材等级为Q235-B, 焊条选择E4303。屋架形式和几何尺寸见图1。

1.2 实验装置截面尺寸设计计算

钢架节点荷载:F=1.35×15 k N=20.25 k N。

假定钢架杆件的连接均为铰接, 则屋架为静定结构, 内力计算与杆件截面无关。计算简图和内力系数分别如图2和图3所示。

以上计算可得, 杆件内力如表1所示。

杆件截面选择。

1) 上弦杆。

整个上弦杆采用等截面设计, 按照杆件AB, BC的最大设计值进行内力计算:

计算长度取较大值l0x=l0y=529 mm。

最大杆件压力为-64.4 k N, 取中间节点板和支座节点板的厚度均为8 mm。

设λ=60, 采用双角钢截面为B类截面, 查表得φ=0.8077, , 所所需截面面积为:

所需回转半径为:

根据ix, iy, A查角钢规格, 为取较大安全空间选用2∠50×50×3。

其中A=5.942 cm2, ix=1.55 cm。

由λx=32.13, 可查得φ=0.928, 则:

故此截面满足要求。

2) 下弦杆。

整个下弦杆采用等截面设计, 按照最大内力来进行界面设计, 因此取N=56.9 k N, 按《钢结构设计规范》5.1.1并考虑较少杆件类别和便于连接。选取下弦杆为2∠50×50×3, 经验算满足要求。

3) 斜腹杆与竖腹杆。

斜腹杆CD轴力N=-17.82 k N。

故满足要求。

同理, 可计算并简化设计得到斜腹杆BD, DE, EF, 竖腹杆FG杆件均选用2∠25×25×3。

综上, 该装置的截面汇总见表2, 实体图见图4。

1.3 测点布置

实验主要内容:1) 构件每段的中点应变值;2) 构件中AD, DE, CE, FG段两端横截面应变值。其中值得注意的是:1) 中应变片粘贴在每段中点横截面的中性轴的两侧, 2) 中应变片在上弦杆AD和下弦杆CE沿横截面分别粘贴5个应变片, 斜腹杆DE和竖腹杆FG沿横截面分别粘贴4个应变片。

1.4 加载制度

实验[3,4]采用等增量法, 选取3 k N作为每级增加的荷载, 每级加载完成后测定一次各测点的应变增量。荷载分为5级加载, 从0加载至15 k N。实验加载到15 k N即停止并卸载, 然后重复下一组实验。实验分为三组, 分别为三点对称加载、两点对称加载和两点不对称加载, 以下分别简称A组、B组、C组。每组实验重复进行三次以提高实验精确度。在试验正式开始前, 首先施加3 k N的竖向荷载, 主要用于检查仪表及应变片是否工作正常。

2 实验结果与分析

2.1 轴心受压分析

为了研究轴心受压状态下桁架的应力与理论是否吻合, 需要分别选取3个特征杆段如图5~图7所示。

其中图5~图7分别为A组实验中杆段AD, B组实验中杆段HJ, C组实验中杆段FI中点双角钢截面两个角钢各自的应变值。从图6中可以看出两块角钢的应变几乎完全重合;而图5和图7中加载初始阶段应变几乎完全相同, 在加载的最后阶段出现了微量的差值, 但属于正常的误差范围。总的, 从图5~图7中看出在轴心受压状态下双角钢截面中两个角钢所受的应力值大小基本相同 (图中+和-分别代表截面同一位置两侧的应变片测得的数据) 。

2.2 对称荷载分析

在对称荷载作用下, 本文中钢桁架构件在对称位置有相同的力值。实验中有两组为对称加载, 故选取两根特征杆段分析, 分别选取A组实验中杆段AD和杆段IL;B组实验中杆段EG和杆段GH。从图8和图9中看出, 在加载力大小等量增加的情况下, 对称位置应变值等量增加且对称位置的4个测点值几乎完全重合, 符合结构力学对于对称荷载的理论值。从得到的应变值来看, 同等条件下应变值最大相对误差约为8%, 实验值较符合实际情况。

2.3 桁架杆段轴力分析

当钢桁架构件受力后, 桁架内电阻应变片随杆件伸长或缩短, 使自身电阻改变。通过电测原理, 利用电阻应变仪可测得各杆段中性轴处的最大应变值εmax。依据虎克定律公式F=E·A·ε求得杆段所受的轴力实测值。从A组、B组、C组实验中分别选取4根杆段, 计算过程见表3~表5。

从表3~表5的三组实验数据分析可得:经过计算, 实测值与计算值的误差均在10%以内, 说明粘贴在钢桁架杆件中性轴位置的应变片能够较好的反映钢桁架结构在受力状态下轴力值的大小。

2.4 桁架杆段截面弯矩分析

由于实际钢桁架的结点采用焊接连接, 其结点是具有一定刚性的连接, 所以实际桁架杆件内不仅会产生轴向应力、还会产生弯曲应力和剪切应力。选取杆段DE作为特征杆段, 钢桁架的弯矩计算值采用ANSYS通用有限元程序Beam189单元分析得到, 该单元是基于Timosheuco梁理论, 考虑剪切变形的空间三维薄壁梁单元, 沿单元轴向采用三节点二次插值, 每个节点七个自由度 (考虑翘曲) , 能够考虑大转动、大应变等几何非线性及弹塑性情况。它不仅适用于开口、闭口薄壁截面, 而且也能够自定义截面形状。本次计算钢架被划分为306个Beam189单元。

杆段弯矩实测值由计算公式:得到, 计算过程见表6。

由表7数据分析可得:杆段DE弯矩实测值与计算值误差较大, 但是在比较弯矩产生的应力与轴力产生的应力时可见, 弯矩产生应力与轴力产生应力的比值很小。故实际桁架构件按理想桁架计算完全可以满足要求。

2.5 误差分析

通过分析以上实验数据, 产生误差的主要原因有:

1) 钢桁架各杆件之间为焊接连接, 结点具有一定刚性, 故实际结构为超静定, 超静定结构在焊接过程中会产生初始弯矩, 从而对测量结果造成影响;

2) 钢桁架各连接节点处通过加固盖板连接, 故在实际结构中节点处有加强, 这也对测量结果造成影响;

3) 在实验过程中, 加载点不能精确对准中心位置, 导致数据造成微量的偏心荷载, 给对称性数据造成一定的误差;

4) 本实验装置在加工精度方面存在误差, 故对于理论值的计算存在一定的误差。

3 结语

通过实验得到的具体的测试结果表明, 固定式力学实验装置的实验情况较为理想, 得到的数值精度高, 既能够较好的反映出结构力学的基本概念和理论, 又能正确反映出理论值与实测值的误差, 可以应用于日常的实验教学中。本实验将结构力学的计算模型与实际测试数据验证, 学生可以深刻理解结构力学中桁架结构铰接模型, 认识到理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。

摘要：主要介绍了一种基于实验教学基本原理和功能开发的固定式钢桁架力学实验系统, 实现了多种加载方案的结构力学实验, 并通过实验完成了对多种结构力学桁架结构计算模型的简化原理的准确性验证, 为学生提供了一个理想的学习实践工具, 也为实验教学提供了一个可靠的平台。

关键词：钢桁架,固定式力学装置,实验教学

参考文献

[1]龙驭球, 包世华.结构力学1:基本教程[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]刘鸿文.材料力学 (上下册) [M].北京:高等教育出版社, 2003.

[3]刘礼华, 欧珠光.结构力学实验[M].武汉:武汉大学出版社, 2006.

实验力学实验报告 篇11

关键词：结构力学 实验 建设

中图分类号：C642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0147-02

结构力学课程是土木工程专业的一门重要的专业基础课。按照卓越工程师人才的培养目标定位和结构力学本身的特点，我们将结构力学内容分为基本部分和专题部分。基本部分在先修的理论力学和材料力学等课程基础上进一步研究杆件结构的组成规律、计算原理和计算方法，了解各类杆件结构的受力性能，为学习结构力学的专题部分和有关专业课程以及进行结构设计和科学研究打好力学基础，进而培养学生结构受力分析与计算的能力。结构力学的专题部分是结构力学知识的加深和拓宽，视专业方向和学时的多少，内容的选择也有不同。如道桥方向专业，加强“影响线及其应用”基本内容的教学；建筑工程方向专业，增加了“分层法”和“剪力分配法”等教学内容[1-3]。

《结构力学》在整个土木工程课程体系中处于承上启下的核心地位，担负着传授学生结构概念、培养学生专业分析计算能力和创新意识的责任。但是，传统《结构力学》课程是没有实验内容的，这严重影响了学生对理论内容的理解和掌握。在2010年，国家级教学名师奖获得者王焕定教授提出了“实验结构力学”思想，并将这一教学思想在教育部结构力学及弹性力学课程指导小组会议上以主题报告的形式向国内同行做了介绍，获得了国内同行的一致好评并已引起指导小组的重视。

目前关于结构力学的实验课程建设的研究较少，只有少数高校在尝试结构力学实验课程的开设，如哈尔滨工业大学，他们成立了实验结构力学教学研究团队，开展实验结构力学课程平台建设，主要开展的实验内容有：静定结构内力、位移测量；超静定结构内力、位移测量；互等定理的验证；力法、位移法解超静定结构方法原理的验证；机动法画影响线的验证；结构的自振特性测定等。具体在实现过程采取的方式如下：不限学时，在一个学期内学生自行安排时间完成指定内容的实验；不限模型，学生自行设计实验模型和实验流程，但需完成指定的实验内容；教师只做必要的指导，从头到尾都由学生自己操作；带有研究性质，学生自行分析实验失败或误差原因，自行提出改进方案措施，直到实验结果满足教师的要求；鼓励创新实验，鼓励学生在完成指定实验内容的基础上，提出完成自行设计的实验内容；实验成绩计入课程成绩，创新实验内容予以加分鼓励[4-6]。

针对我校土木工程卓越工程师计划的实施，目标是培养素质高、能力强的工程技术人才，不仅具有坚实的理论基础知识，而且要求进行严格的、系统的专业技能训练，具有创新能力。因此针对现有结构力学课程教学内容，应相应开展实验课程教学，加强学生对理论内容的理解和掌握，更有助于培养学生专业分析计算能力和创新意识。为适应社会需要，不断改革创新，是结构力学课程建设遵循的原则，加强素质教育、努力培养学生创新能力是结构力学课程建设追求的目标。

在汲取其他高等院校在结构力学实验课程教学方面的优秀经验，结合自身现有的研究基础，制定结构力学实验课程教学内容，自主研发结构力学实验教学平台，着手增加实验内容教学，尤其是增加创新能力实验环节教学，提高实验教学质量，培养优秀的创新人才。现要解决的问题主要有以下几个方面。

1 自主研发结构力学实验教学平台

在《结构力学》课程理论教学内容的基础上，需自主研发结构力学实验教学平台，该实验平台能方便地安装各种测试仪器仪表、加载装置；能实现结构常用各种支承的约束装置；能实现学生自主设计实验模型和实验方案的要求。学生可以在实验平台上操作实验设备，从而增强学生的动手能力，同时能提高学生的创新意识。

2 编制相应的结构力学课程实验教学指导书

有了实验教学平台，还不能让学生全部真正理解实验设置的目的，必须要做进一步的解释和理论指导，增强学习效果。参考以往材料力学和理论力学的实验教学过程，还应编制相应的实验教学指导书，它是一个非常有效的方法，让实验效果更加明显地展示在学生面前。

3 培养团队人才梯队建设

在现有教师队伍中，加强人才梯队建设，适应形势发展，及时捕捉科技前沿信息，跟上节奏。同时需要不定期派遣结构力学教师参加相关项目调研，参加大型国内外会议学习，努力提高自身教学科研素质，增强创新实践能力。

总之，以《结构力学》的理论课程为依托，着力开展结构力学实验课程建设，既可提高结构力学的教学质量，还可使学生深刻理解力学建模只是在一定计算（工具）环境下的一种近似简化，使学生更精确地掌握结构在荷载等作用下的真实性态，促进和完善《结构力学》的课程建设。一方面，以社会实际需要为载体的卓越工程师人才培养模式研究，通过构建以提高学生动手和创新能力培养为中心的教学体系，建设结构力学实验教学平台，提高了结构力学实验教学质量；另一方面，改革现有的传统教学方法，形成理论教学与实验相结合的教学模式，同时更新课程实践内容，激发学生的学习兴趣，进而提高课程的教学效果和教学质量。

参考文献

[1] 龙驭球，包世华.结构力学教程（I）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2] 龙驭球，包世华.结构力学教程（II）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3] 李廉锟.《结构力学》（上、下册）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4] 姬慧.《结构力学》课程教学改革的实践与思考[J].太原大学学报，2001（2）：4-7.

[5] 杨晓丹.《结构力学》实验新模式的构建[J].华东船舶工业学院学报，2001，1（4）： 89-91.

土力学实验的仿真软件研制 篇12

1、软件的开发程序语言

计算机仿真实验是通过相应的模拟程序在计算机上来完成实验过程的。我们选用的开发程序为VB(Visual Basic的简称),这是Microsoft公司推出的一种可视化应用程序开发工具。VB采用可视化的开发图形用户界面的方法,使用者一般不需要编写大量程序源代码去描述界面的外观和位置,而只要把需要的控件拖放到程序屏幕上的相应位置即可,使用者只要掌握常用控件的用法就可以建立实用的应用程序。程序运行通过后,可以形成可执行文件,点击该文件就可以进入仿真软件的用户界面。完成后的土力学实验仿真程序界面如图1所示。

2、仿真软件的功能

2.1 实验步骤及相关理论的查找功能

为使学生易于理解和使用,在仿真软件中介绍实验中试样的制作、施加荷载、观测的技术要领和详细过程。仿真软件中提供查找功能,学生可以在软件中方便的查阅与本实验相关的理论及相关的国家技术规范。比如在进行“直剪实验”时,可以在该软件上点击“步骤查询”这个按钮,这样就可以看到该实验步骤分为五步,分别为“(1)环刀切取试样;(2)试样放入盒中;(3)调整量力环百分表读数为零;(4)施加压力及水平力;(5)卸载取出损坏试样”。如果学生对某个步骤还要进一步了解,可以再点击所选的步骤,可以得到更加详细的解释。比如点击“试样放入盒中”,就可以看到详细描述如下“对准直剪仪上、下盒,插入固定销,使上、下盒固定,在试样上、下面各放一张不透水的塑料薄膜,将带土样的环刀平口向下,对准剪切盒口,用一透水石将试样徐徐推入盒内,移去环刀,最后装上加压盖板和钢珠。”

2.2 实现土力学实验过程的可视化

土力学实验的目的在于如何准确测定土体的各种物理及力学参数,如压缩性指标、抗剪强度指标等。因此,在研制土力学实验仿真系统时,遵循土力学实验的课堂教学规律,努力通过仿真软件模拟过程来揭示土的力学行为,尽力使软件界面形象生动,并且便于使用者操作。以“直剪实验”为例,通过对土体试样施加水平力,使试样在直剪仪上下盒的交界处错开破坏。破坏前和破坏后的试样示意图如图2和图3所示。

2.3 仿真系统中引入土体本构模型

由于土是一种松散介质,具有三相(固相、液相和气相)组成,其力学性质远远比金属固体材料复杂,所以土的本构模型也更加复杂。在实验仿真软件中,引入几种较为经典的土体本构模型进行计算机模拟,可以让学生更深入体会土体的复杂性及其本构模型对实验结果的影响。我们利用岩土工程有限元软件MIDAS/GTS,对土力学实验进行模拟,可以得到土体位移及应力分布图,计算结果可以导入我们的仿真系统中。这样可以利用已有的商业软件中的多种土体本构模型,比如莫尔库伦模型、邓肯-张模型等。直剪试验中,土体试样破坏时的应力图如图4所示。

2.4 对实验结果的曲线实时显示

本仿真软件操作尽量采用鼠标点击或者文件导入的形式来输入数据,可以减少数据的手工逐项输入,从而减少人与计算机交互过程中的失误,也提高了数据输入效率。在模拟过程中可以随时显示实验结果的实时曲线,如荷载与位移的关系曲线,与实际实验过程相一致。学生可以利用仿真软件模拟的结果数据进行处理,绘制各种变化曲线,获得所需的各种力学参数。

3、仿真软件在教学中的应用

从上述的功能描述可以看出,本实验仿真系统具有以下特点:(1)操作简单,便于使用,多数情况下只需点击按钮;(2)可视性较强,可以看到土力学实验的全过程,并以直观形象的图形表现出来;(3)仿真程序遵循土力学实验原理,较真实地反映土体试样的力学行为;(4)对试件进行实验加荷后立即可以得到变形结果;(5)交互性较强,操作者可以输入土体试样大小、荷载大小、加载速率等各种信息,可以获得实验结果数据及变化曲线。

本实验仿真系统被应用到土力学教学中,主要在两种情况下:一是在课堂里讲解实验原理时,将土体试样受力与变形过程展现出来,使学生更深刻地理解土力学的基本原理。二是在实验前让学生进行计算机操作,能够调动学生的学习积极性,使学生更深入地掌握土力学实验的基本步骤。

4、结语

仿真实验软件是通过操作计算机程序来模拟完成实验过程,不受实验室场地、实验设备、实验材料的限制,是培养学生综合创新能力的一种新手段。仿真实验为学生提供了一种虚拟实验环境,在这种环境下学生可以反复进行操作,并且快速获得实验结果,其方便性是实际实验所不可比拟的。仿真实验作为一种全新的教学手段,有助于激发学生学习专业知识的兴趣,在实验经费和实验设备受到限制的条件下,开展计算机仿真教学具有应用推广前景。但如何结合各自的专业特点,开发适合本专业学生使用的仿真软件,还有很多相关的问题需要深入探讨。

参考文献

[1]李广信,吕禾,张建红.土力学课程中的实践教学.实验技术与管理,2006,23(12):13-15.

[2]张百红.二维渗流场的MATLAB仿真在土力学教学改革中的应用.高等建筑教育,2006,15(4):97-99.

[3]王常明,王清,范建华,齐放.计算机仿真在土力学实验教学中的应用.高等建筑教育,2005,14(4):96-98.