摘要：低碳钢和铸铁材料的拉伸和压缩实验是工程力学、材料、机械等专业所必修的重要实验，如何引导学生深入理解材料的力学性能，以及兴致盎然地进行实验，是实验辅导老师的重要任务。本文提出在实验中大量列举工程实例、详细讨论公式的适用性以及补充力学史材料等方法来实现以上目的。事实证明，这些方法是卓有成效的。

 

关键词：工程实例；公式适用性；力学史料

Introducing history to teaching: supplementary of background knowledge in tension/compression experiment of materials

Liu Jian-lin

(Department of Engineering Mechanics, China University of Petroleum, Dongying 257061, China)

 

Abstract: Tension and compression experiments of mild steel and cast iron are important experiments in some majors, such as engineering mechanics, material and mechanical engineering. An important task of the teachers in charge of experiments is how to lead the students to understand deeply mechanical properties of materials, and to do experiments interestingly. To realize this goal, some methods are presented in this paper, such as listing some engineering examples, discussing the effectivity of the formula and supplementary of mechanical history. In fact, these methods are quite effective.

 

关键词: engineering examples；effectivity of formula; mechanical history

    低碳钢和铸铁的拉伸和压缩实验是一般工科学生所做的第一个重要的力学实验，对于学生深入理解材料的力学性能有着重要意义，并且也是后来学习机械原理、弹性力学、塑性原理、机械设计等课程的必要基础。这个实验是许多工科专业的必修实验，例如工程力学、材料工程、机械工程、土木工程、石油工程、航天航空、汽车、自动化等专业的学生都必须进行此实验方能结合本专业进行相应的力学应用于研究。

由于各个专业的学生学习材料力学课程的课时不一致，学生的力学水平参差不齐，所以在实验过程中有部分专业的学生对于该实验不能很快地入手，从而耽误了大量时间，降低了效率。另外，实验的质量直接影响到学生对于材料力学课程学习的兴趣，甚至会影响到后续课程的基础不扎实。因此，如何引导学生深入理解材料的力学性能，以及兴致盎然地进行实验，是实验辅导老师的重要任务。为此，中国石油大学（华东）力学实验室的辅导老师，为了达到上述目的，采取了灵活多边的教授方法，而不是像以前实验中枯燥无味地说教。这些方法包括：大量列举工程实例、详细讨论公式的适用性以及补充力学史材料等。实践证明，通过改革教授方法后，学生对于该实验发生了浓厚兴趣，从而说明这些方法是卓有成效的。

1 大量列举工程实例

    在描述低碳钢和铸铁的“韧性”和“脆性”时，为了加强学生的理解，对于这两种性质进行了举例。例如，提到玻璃在受到石头砸击、以及潍坊的萝卜掉在地上四分五裂等现象，可以让学生体会到“脆”的概念，同时这些例子也会引起学生的哄堂大笑，从而活跃气氛。在讲述塑性时，需要讲明与之对应的弹性。此时可以列举生活中的一些例子，例如橡皮筋、钟表发条、撑杆跳等以说明变形的可恢复性；而列举牙缸、脸盆以及汽车的车皮冲压成型等工程实例，既可以加深同学们对于塑性（变形不可恢复）的认识，又可以描述如果没有塑性时的“可怕”现象，如汽车开动时如果没有塑性那么车皮会重新变成平板，这肯定可以引起学生会心的微笑。

2 详细讨论公式的适用性

    对于实验指导书上的一些公式，应该说明其适应的范围，从而加深学生的理解，同时又给他们以“尽信书则不如无书”的启示。例如屈服极限和强度极限的计算都是用力除以试件的原始横截面积，这仅仅适用于小变形的情况；而实际试件在达到强度极限时变形较大，用此公式计算将有误差。所以应该给学生指出，这是名义应力而非实际应力。

    而讲到延伸率的定义时，应该让学生联想到应变的定义以进行比较：

这两个定义形式上一致，但延伸率一般指试件断裂之后的伸长量，而材料力学书上的应变则是试件发生小变形的定义，对于大变形则应该重新定义。与延伸率对应的另外一个量是断面收缩率，应该向学生指出，对于金属试件已经假设拉伸时体积不变。尽管泊松比的理论取值范围为 ，但是工程中的金属等材料的泊松比一般取正值，课本上也很少提到泊松比为负值的情况。但是并非所有材料拉伸体积不变，例如对于新发现的“负泊松比材料”，则出现体积膨胀的反常现象。这些例子当然会引起学生的极大兴趣。

3 补充力学史料

    在讲到弹性模量（杨氏模量）E时，应该向学生提及汤姆斯×杨的学术贡献。汤姆斯×杨是一位多才多艺的学者，曾经提出了物理上的杨氏双缝干涉实验，还利用罗赛塔石辨认了埃及的象形文字从而成为一名考古学家。汤姆斯×杨在固体的表面物理科学也卓有成就：他在1804年提出了杨氏接触角。这些例子会让学生认识到这位大科学家的伟大，同时也感受到跨学科的必要性，从而受到人文气息的熏陶。

   在讲到材料的最大剪应力破坏准则时，应该讲述整个事件的来龙去脉。文艺复兴时期的巨人达×芬奇对于材料强度发生了兴趣，也做了一些实验，但是并未提出合理的强度准则。达×芬奇是世界上最伟大的画家，他的两幅画《蒙纳利莎》和《最后的晚餐》是人类文化的瑰宝。同时他是世界上最早设计飞机的人，他还是一位建筑师、工程师、解剖学家。达×芬奇曾经说过：“力学是数学的乐园。因为我们在这儿获得了数学的果实。”伽利略对于材料进行了弯曲试验，但是得到的破坏准则是错误的。他是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家，也是近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。 他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。直到1864年，由法国的工程师屈雷斯加（Tresca）提出了“最大剪应力”准则，才与实验结果一致。这个理论也称为“Tresca准则”，也就是材料力学上讲到的第三强度理论。而我们国家的一些科学家在强度理论方面也做了大量工作，例如西安交通大学的俞茂宏教授提出了“双剪切理论”，已经被写进教科书。同学听了这些力学史料，将会被故事所吸引，同时会对达×芬奇、伽利略等人的多才多艺发出由衷的感叹，进而对于强度理论发展的曲折历程有了深入体会。同时提到中国科学家的贡献，将会增强同学们的民族自豪感。

4 结束语

经过实践证明，在材料的拉伸和压缩实验中改革教学的方式是很有必要的。而大量列举工程实例、详细讨论公式的适用性以及补充力学史材料等有助于增进同学们的兴趣，从而加深他们对于材料力学性能的理解。从而促使学生能够很快地掌握试验，提高实验的效率与质量。

尽管上述方法在一定范围内取得了成效，但是要做到试验方面的尽善完美，还需要一个长期探索的过程。需要老师和同学的互相交流、教学相长，从而发现问题解决问题，找到更好的方法来改善实验内容。

 

 

 

 

致谢

本文受到中国石油大学引进人才（博士）科研基金资助项目的资助，特此致谢。

 

参考文献

[1]       杨桂通. 弹塑性力学引论 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2006

[2]       Young T. An essay on the cohesion of fluids. Phil Trans Roy Soc London, 1805, 95:65-87.

[3]       武际可. 力学史 [M]. 重庆: 重庆出版社, 2000

[4]       侯密山, 胡玉林. 工程力学(II) [M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2006

[5]       黄海燕, 沈超明, 汪雅棋. 基础力学实验教学改革的实践与探索. 实验技术与管理

[J], 2008，25（1）：119-122

 

 

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