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材料科学
题目

某岩块为 7 (cm) times 7 (cm) times 7 (cm) 的立方体试块。当试块承受 200 (kN) 压力后,试块轴向缩短 0.003 (cm),横向增长 0.000238 (cm)。试求试块的弹性模量和泊松比。

某岩块为 $7 \text{cm} \times 7 \text{cm} \times 7 \text{cm}$ 的立方体试块。当试块承受 $200 \text{kN}$ 压力后,试块轴向缩短 $0.003 \text{cm}$,横向增长 $0.000238 \text{cm}$。试求试块的弹性模量和泊松比。

题目解答

答案

根据题意,轴向应力为: \[ \sigma = \frac{P}{A} = \frac{2 \times 10^5}{0.0049} \approx 40.816 \, \text{MPa} \] 轴向应变为: \[ \varepsilon_z = \frac{-0.003}{7} = -4.2857 \times 10^{-4} \] 横向应变为: \[ \varepsilon_x = \frac{0.000238}{7} = 3.4 \times 10^{-5} \] 弹性模量为: \[ E = \frac{\sigma}{|\varepsilon_z|} = \frac{40.816 \times 10^6}{4.2857 \times 10^{-4}} \approx 95.2 \, \text{GPa} \] 泊松比为: \[ \mu = -\frac{\varepsilon_x}{\varepsilon_z} = \frac{3.4 \times 10^{-5}}{4.2857 \times 10^{-4}} \approx 0.08 \] 最终结果: \[ E \approx 95.2 \, \text{GPa}, \quad \mu \approx 0.08 \]

解析

本题主要考察弹性模量和泊松比的计算,解题思路是先根据压力和试块横截面积求出轴向应力,再根据试块的轴向和横向变形量求出轴向应变和横向应变,最后利用弹性模量和泊松比的定义式分别计算出这两个物理量。

  1. 计算轴向应力:
    • 已知试块为立方体,边长$a = 7\text{cm}=0.07\text{m}$,则试块的横截面积$A=a^2=(0.07)^2 = 0.0049\text{m}^2$。
    • 压力$P = 200\text{kN}=2\times10^5\text{N}$。
    • 根据轴向应力公式$\sigma=\frac{P}{A}$,可得$\sigma=\frac{2\times10^5}{0.0049}\text{Pa}\approx4.0816\times10^7\text{Pa}$。
    • 因为$1\text{MPa}=10^6\text{Pa}$,所以$\sigma\approx40.816\text{MPa}$。
  2. 计算轴向应变:
    • 已知轴向缩短量$\Delta z=-0.003\text{cm}=-3\times10^{-5}\text{m}$(缩短量为负),原长$z = 7\text{cm}=0.07\text{m}$。
    • 根据轴向应变公式$\varepsilon_z=\frac{\Delta z}{z}$,可得$\varepsilon_z=\frac{-3\times10^{-5}}{0.07}\approx - 4.2857\times10^{-4}$。
  3. 计算横向应变:
    • 已知横向增长量$\Delta x = 0.000238\text{cm}=2.38\times10^{-7}\text{m}$,原长$x = 7\text{cm}=0.07\text{m}$。
    • 根据横向应变公式$\varepsilon_x=\frac{\Delta x}{x}$,可得$\varepsilon_x=\frac{2.38\times10^{-7}}{0.07}=3.4\times10^{-5}$。
  4. 计算弹性模量:
    • 根据弹性模量公式$E=\frac{\sigma}{|\varepsilon_z|}$,将$\sigma = 4.0816\times10^7\text{Pa}$,$|\varepsilon_z|=4.2857\times10^{-4}$代入可得:
    • $E=\frac{4.0816\times10^7}{4.2857\times10^{-4}}\text{Pa}\approx9.52\times10^{10}\text{Pa}$。
    • 因为$1\text{GPa}=10^{9}\text{Pa}$,所以$E\approx95.2\text{GPa}$。
  5. 计算泊松比:
    • 根据泊松比公式$\mu=-\frac{\varepsilon_x}{\varepsilon_z}$,将$\varepsilon_x = 3.4\times10^{-5}$,$\varepsilon_z=-4.2857\times10^{-4}$代入可得:
    • $\mu=-\frac{3.4\times10^{-5}}{-4.2857\times10^{-4}}\approx0.08$。

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