本實用新型屬于教學(xué)實驗設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種共振演示儀以及一種測量楊氏模量的裝置；
背景技術(shù)：
：共振是比較常見的物理現(xiàn)象，共振現(xiàn)象的課堂演示是許多物理教師向?qū)W生展示物理現(xiàn)象魅力而普遍采用的經(jīng)典方法。這種實驗簡單易行、物事理清、容易復(fù)現(xiàn)。然而傳統(tǒng)的演示儀器，盡管可以調(diào)整策動力頻率使系統(tǒng)出現(xiàn)共振，但由于缺乏定量化或數(shù)字化的設(shè)備，使調(diào)整過程比較漫長，不僅導(dǎo)致學(xué)生失去耐心，興趣減弱，也占用不少課堂時間。圖1是比較常見的共振演示儀，底座與可轉(zhuǎn)動橫桿的一端通過銷釘連接，橫桿上邊固定排列了幾根薄鋼片，同時橫桿的另一端固定一振動電機且與底座之間用彈簧支撐。振動電機通過電源的輸出電壓調(diào)速，電機額定轉(zhuǎn)速為3500r/min，因此當(dāng)振動電機轉(zhuǎn)動時可以產(chǎn)生058Hz頻率連續(xù)可調(diào)的周期策動力。該儀器存在三點不足：第一，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，比如因振動銷釘容易松動、脫落，并產(chǎn)生左右的橫向擺動，于是薄鋼片振動變得復(fù)雜；第二，電源輸出電壓不穩(wěn)，電源的針式電壓表顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；第三，設(shè)備無轉(zhuǎn)速或頻率顯示，難以快速準(zhǔn)確實現(xiàn)共振。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型的目的在于提供一種數(shù)字化的可直接讀出振動頻率的共振實驗演示裝置，解決現(xiàn)有共振演示裝置不能定量化的問題。具體的本實用新型技術(shù)方案如下：一種數(shù)字化共振演示儀，包括底座、橫桿，其中橫桿的一端與底座之間通過轉(zhuǎn)軸連接，橫桿上固定排列有若干長條形薄片，橫桿的另一端設(shè)置有策動力發(fā)生裝置且該端橫桿與底座之間由彈簧支撐連接，其特征在于還設(shè)有計數(shù)傳感器、控制運算電路以及數(shù)顯裝置，其中所述的計數(shù)傳感器用以獲得策動力的周期信號，計數(shù)傳感器獲得的信號經(jīng)過控制運算電路的處理后將策動頻率顯示在數(shù)顯裝置上。長條形薄片的一端安裝在橫桿上，橫桿在策動力發(fā)生裝置的作用下獲得策動力，從而帶動長條形薄片振動，改變策動力發(fā)生裝置的振動頻率，計數(shù)傳感器實時獲取振動頻率信息，信息經(jīng)過控制運算電路處理，將頻率顯示在數(shù)顯裝置中，從而實現(xiàn)共振演示儀的數(shù)字化定量顯示。此處的彈簧支撐連接也可以替換為其他彈性連接方式，例如可以用彈性橡膠支撐或者彈性橡皮繩吊裝；甚至可以是在基板上與橫桿上相對位置安裝的同名磁極支撐，同名磁鐵相排斥，這種連接方式底座與橫桿的同名磁極之間由于排斥作用并不會直接接觸，還能有效的減小振動能量損失。上述技術(shù)方案中，計數(shù)傳感器由遮光片與槽型光耦器件組成，遮光片周期性的遮擋槽型光耦器件發(fā)出的探測光從而獲得計數(shù)電壓信號。上述技術(shù)方案中，策動力發(fā)生裝置為振動電機。上述技術(shù)方案中，遮光片安裝在所述振動電機的轉(zhuǎn)軸上，槽型光耦器件安裝在所述振動電機的側(cè)壁上用于接收遮光片轉(zhuǎn)動時的計數(shù)電壓信號。優(yōu)選的技術(shù)方案：上述技術(shù)方案中，控制運算電路為雙電壓比較器集成電路LM393。上述技術(shù)方案中，底座上還設(shè)置有數(shù)顯卡尺，其中數(shù)顯卡尺與長條形薄片方向平行，數(shù)顯卡尺中的位置傳感器的信號輸入到所述的控制運算電路中。在發(fā)生共振時，移動數(shù)顯卡尺的游標(biāo)，分別拾取薄鋼片上的波形位置信息而得到半波長。上述技術(shù)方案中，長條形薄片為矩形薄鋼片。薄鋼片是價格低廉實驗室常用的材料，且可以直接在市場上購買到不同規(guī)格的薄鋼片，降低了實驗裝置成本。上述技術(shù)方案中，所述長條形薄片與底座平行設(shè)置于橫桿上。底座水平放置在試驗臺上，則長條形薄片水平設(shè)置于橫桿上。上述技術(shù)方案中，所述的轉(zhuǎn)軸與所述橫桿之間的連接關(guān)系為螺紋副連接。螺紋副的連接方式有效地避免了橫桿沿轉(zhuǎn)軸軸向的橫向移動，從而提高儀器的穩(wěn)定性。基于上述的數(shù)字化共振演示儀的技術(shù)方案，本實用新型還提供了一種測量材料楊氏模量的裝置，具體的該裝置的技術(shù)方案如下：一種測量材料楊氏模量的裝置，包括底座、橫桿，其中橫桿的一端與底座之間通過轉(zhuǎn)軸連接，橫桿上固定排列有若干長條形薄片，橫桿的另一端設(shè)置有策動力發(fā)生裝置且該端橫桿與底座之間由彈簧支撐連接，其特征在于還設(shè)有計數(shù)傳感器、控制運算電路、數(shù)顯裝置以及數(shù)顯卡尺，其中數(shù)顯卡尺與長條形薄片方向平行，計數(shù)傳感器獲得的信號與數(shù)顯卡尺中的位置傳感器的信號輸入到所述的控制運算電路中，經(jīng)過控制運算電路的處理后將運算結(jié)果輸入數(shù)顯裝置上。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:：本實用新型數(shù)字化共振演示儀，不僅解決了現(xiàn)有技術(shù)中共振演示儀的不穩(wěn)定性問題，也實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)共振現(xiàn)象的目的，使教師在演示該現(xiàn)象時心中有數(shù)；在本實用新型數(shù)字化共振演示儀，基礎(chǔ)上可以拓展出其它延伸實驗。本實用新型測量材料楊氏模量的裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、測量精度較高、特別適用于實驗教學(xué)。附圖說明圖1.現(xiàn)有技術(shù)的一種共振演示儀；圖2.本技術(shù)方案中的數(shù)字化共振演示儀；圖3.雙電壓比較器集成電路LM393組成的控制運算電路；其中：1為底座；2為橫桿；3為長條形薄片；4為轉(zhuǎn)軸；5策動力發(fā)生裝置；6為遮光片；7為槽型光耦器件。具體實施方式下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型的技術(shù)方案做進一步描述。實施例一：一種數(shù)字化共振演示儀，如圖2所示，包括底座1、橫桿2，其中橫桿的一端與底座之間通過轉(zhuǎn)軸連接，橫桿上固定排列有若干長條形薄片3，橫桿的另一端設(shè)置有策動力發(fā)生裝置5且該端橫桿與底座之間由彈簧支撐連接，其特征在于還設(shè)有計數(shù)傳感器、控制運算電路以及數(shù)顯裝置，其中所述的計數(shù)傳感器由遮光片6與槽型光耦器件7組成，遮光片周期性的遮擋槽型光耦器件發(fā)出的探測光從而獲得計數(shù)電壓信號，獲得的信號經(jīng)過控制運算電路的處理后將策動頻率顯示在數(shù)顯裝置上。實施例二：在實施例一的基礎(chǔ)上，策動力發(fā)生裝置為振動電機，通過振動電機工作時的離心力，帶動橫桿振動。實施例三：在實施例二的基礎(chǔ)上，槽型光耦器件安裝在所述振動電機的側(cè)壁上用于接收遮光片轉(zhuǎn)動時的計數(shù)電壓信號，振動電機的轉(zhuǎn)軸帶動遮光片旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)遮光片通過槽型光耦器件時光耦器件就獲得一個電壓信號，通過對周期性的電壓信號處理就可以獲得策動頻率。實施例四：在實施例三的基礎(chǔ)上，如圖3所示，控制運算電路為雙電壓比較器集成電路LM393。該計數(shù)系統(tǒng)通過遮光片與槽型光耦模塊產(chǎn)生計數(shù)電壓與信號，經(jīng)過雙電壓比較器集成電路LM393在較短的時間內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換周期震蕩，以實現(xiàn)較為靈敏的計數(shù)，從而組成簡易的測頻率傳感器電路。實施例五：一種數(shù)字化共振演示儀，包括底座、橫桿，其中橫桿的一端與底座之間通過轉(zhuǎn)軸連接，橫桿上固定排列有若干長條形薄鋼片，橫桿的另一端設(shè)置有策動力發(fā)生裝置且該端橫桿與底座之間由彈簧支撐連接，其特征在于還設(shè)有計數(shù)傳感器、控制運算電路以及數(shù)顯裝置，其中所述的計數(shù)傳感器用以獲得策動力的周期信號，計數(shù)傳感器獲得的信號經(jīng)過控制運算電路的處理后將策動頻率顯示在數(shù)顯裝置上。橫桿在策動力發(fā)生裝置的作用下獲得策動力，從而帶動長條形薄鋼片振動，改變策動力發(fā)生裝置的振動頻率，計數(shù)傳感器實時獲取振動頻率信息，信息經(jīng)過控制運算電路處理，將頻率顯示在數(shù)顯裝置中，從而實現(xiàn)共振頻率的數(shù)字化定量顯示；底座上還設(shè)置有數(shù)顯卡尺，其中數(shù)顯卡尺與長條形薄片方向平行，數(shù)顯卡尺中的位置傳感器的信號輸入到所述的控制運算電路中。在發(fā)生共振時，移動數(shù)顯卡尺的游標(biāo)，分別拾取薄鋼片上的波形位置信息而得到半波長。實施例六：一種測量材料楊氏模量的裝置，包括底座、橫桿，其中橫桿的一端與底座之間通過轉(zhuǎn)軸連接，橫桿上固定排列有若干長條形薄片，橫桿的另一端設(shè)置有策動力發(fā)生裝置且該端橫桿與底座之間由彈簧支撐連接，其特征在于還設(shè)有計數(shù)傳感器、控制運算電路、數(shù)顯裝置以及數(shù)顯卡尺，其中數(shù)顯卡尺與長條形薄片方向平行，計數(shù)傳感器獲得的信號與數(shù)顯卡尺中的位置傳感器的信號輸入到所述的控制運算電路中，經(jīng)過控制運算電路的處理后將運算結(jié)果輸入數(shù)顯裝置上。為了便于實驗與分析，實驗中采取材質(zhì)為65錳鋼看做質(zhì)地均勻的條形長方體，設(shè)其長度為L，寬度為a，截面積S＝ad，密度為r，楊氏模量(或屈服強度)為E。換算可得鋼條的楊氏模量為其中fn是薄鋼片的固有頻率，kn為n倍頻波數(shù)，d為厚度，ρ為薄鋼片的密度。開動測量材料楊氏模量的裝置，調(diào)整策動力發(fā)生裝置輸出頻率，數(shù)碼管中實時顯示策動力頻率，當(dāng)策動力頻率合適時，鋼條達(dá)到穩(wěn)定的共振狀態(tài)，并形成駐波，此時數(shù)顯卡尺可以拾取駐波波形上的半波長位置信息，頻率信息與半波長信息輸入控制運算電路中，輸出結(jié)果顯示在數(shù)碼管中。初步實現(xiàn)了材料楊氏模量測量。商家提供的楊氏模量E(MPa)標(biāo)準(zhǔn)值為：520～690，密度r＝7.9×103kg/m3，通過不同鋼條長度L、鋼條厚度d、鋼條寬度a，在不同策動力頻率f下，產(chǎn)生共振駐波，測得了半波長(λ/2)，使用本技術(shù)方案的裝置分別測量了8根薄鋼片測得的楊氏模量的數(shù)值結(jié)果見表1，通過對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)本設(shè)備給出的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值十分接近，從而證明測量材料楊氏模量的裝置是可靠的。表1.測量材料楊氏模量的裝置測量結(jié)果L(m)d(m)a(m)f(Hz)λ/2(m)E(X/mm^2)10.49200.00050.0232.940.247620674.420.49200.00050.0332.610.255691196.230.49200.00080.0252.130.254679045.840.49200.00080.0353.130.248641025.150.78600.00050.0224.960.275547581.360.78600.00050.0341.040.217573960.970.78600.00080.0240.60.282625802.580.78600.00080.0339.260.279560668.2可見，該實用新型作為一種數(shù)字化共振演示儀不僅可以實時測量策動力頻率、共振頻率，而且在課堂演示中可以迅速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)不同頻率下的共振現(xiàn)象；同時在此基礎(chǔ)上提供的測量材料楊氏模量的裝置在共振狀態(tài)下，只需測量半波長就可以得到材料的楊氏模量，簡單易行，成本低廉，特別適用于實驗教學(xué)中。當(dāng)前第1頁1 2 3