一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【專利摘要】一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，涉及一種楊氏模量的測量裝置及方法，本發(fā)明為解決目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)原理比較單一而且抽象，望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)難度比較大的問題。本發(fā)明裝置包括在支架上端設(shè)置橫梁，中間設(shè)置平臺，橫梁中間設(shè)置上夾頭及力敏傳感器，金屬絲兩端分別與力敏傳感器及下夾頭相連，下夾頭與鐵塊相連。在標(biāo)尺底座上設(shè)置標(biāo)尺，標(biāo)尺上設(shè)置激光器及與智能光電計(jì)時(shí)器相連的光電傳感器；本發(fā)明方法通過測激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光杠桿的平面鏡反射后在標(biāo)尺上形成的光斑做簡諧振動的周期，得到金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T，代入公式計(jì)算出金屬絲楊氏模量。本發(fā)明適用于金屬絲楊氏模量的測量。
【專利說明】
一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一項(xiàng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，具體是涉及一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模 量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在外力作用下，固體所發(fā)生的形狀變化，稱為形變。它可分為彈性形變和范性形變 兩類。外力撤除后物體能完全恢復(fù)原狀的形變，稱為彈性形變。如果加在物體上的外力過 大，以致外力撤除后，物體不能完全恢復(fù)原狀，而留下剩余形變，就稱之為范性形變。在本實(shí) 驗(yàn)中，只研究彈性形變。為此，應(yīng)當(dāng)控制外力的大小，以保證此外力去除后物體能恢復(fù)原狀。 最簡單的形變是棒狀物體(或金屬絲)受外力后的伸長與縮短。設(shè)一物體長為L，截面積為S， 沿長度方向施力F后，物體伸長(或縮短)為A L。比值F/S是單位面積上的作用力，稱為脅強(qiáng)， 它決定了物體的形變;比值A(chǔ) L/L是物體的相對伸長，稱為脅變，它表示物體形變的大小。按 照胡克定律，在物體的彈性限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比，比例系數(shù)稱為楊氏 模量。
[0003] 實(shí)驗(yàn)表明，楊氏模量與外力F、物體的長度L和截面積S的大小無關(guān)，而只取決于棒 (或金屬絲）的材料。楊氏模量是描述固體材料彈性形變能力的一個重要力學(xué)參數(shù)，是選定 機(jī)械構(gòu)件材料的依據(jù)之一，是工程技術(shù)中常用的參數(shù)。不管是彈性材料，如各種金屬材料， 還是脆性材料，如玻璃、陶瓷等，或者是其他各種新材料，如玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料等，為 了保證正常安全的使用，都要測量它們的楊氏模量。長期以來，測量材料的楊氏模量通常采 用靜態(tài)拉伸法，一般在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。這種方法荷載大，加載速度慢，存在弛豫過 程，會增加測量誤差，并且對脆性材料不易測量，在不同溫度條件下測量也不方便。20世紀(jì) 80年代，有人用激光全息干涉法和激光散斑法對航空航天領(lǐng)域的碳復(fù)合材料的楊氏模量進(jìn) 行測量，以此來研究材料缺陷對楊氏模量的影響，取得了很好的效果。20世紀(jì)90年代，動力 學(xué)楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法作為國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦執(zhí)行。這種方法能夠在 較大的高低溫范圍內(nèi)測量各種材料的楊氏模量，且測量精度較高。靜態(tài)法除了靜態(tài)拉伸法， 還有靜態(tài)扭轉(zhuǎn)法、靜態(tài)彎曲法等;動態(tài)法除了橫向共振，還有縱向共振、扭轉(zhuǎn)共振等。另外還 可以用波速測量法，利用連續(xù)波或者脈沖波來測量楊氏模量。
[0004]雖然動力學(xué)楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于理論 公式復(fù)雜，原理不易理解，設(shè)備也比較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)難度大，因此目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常采用 靜態(tài)拉伸法測金屬絲楊氏模量，根據(jù)光杠桿放大原理來測定金屬絲的微小伸長量A L，近年 來也有采用其他一些比較先進(jìn)的微小位移測量方法，比如電渦流傳感器法、邁克爾遜干涉 儀法、光纖位移傳感器法等來測定金屬絲的微小伸長量A L，從而計(jì)算出金屬絲楊氏模量。 目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中拉伸法測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要存在以下不足：
[0005] 其一，通常采用靜態(tài)拉伸法測金屬絲楊氏模量，原理比較單一。
[0006] 其二，根據(jù)光杠桿放大原理，通過光杠桿、望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺組成的放大系統(tǒng)測量金屬 絲的微小伸長量，方法雖然巧妙，但是原理比較抽象，不易理解，望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)難度比較大， 注意事項(xiàng)比較多，而且直接通過人眼利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察測量，非常容易疲勞，容易將數(shù)據(jù) 弄錯，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0007] 其三，一般采用砝碼給金屬絲施加拉力，用砝碼的標(biāo)稱質(zhì)量計(jì)算拉力不準(zhǔn)確，從而 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0008] 其四，光杠桿的平面鏡一般用玻璃制成，實(shí)驗(yàn)過程中容易損壞。
[0009] 其五，標(biāo)尺照明器一般采用小型直管日光燈，亮度不易調(diào)節(jié)，容易損壞，而且由于 電源裝置中有電容，用完之后如不及時(shí)放電容易使實(shí)驗(yàn)者受到電擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提出一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模 量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，本發(fā)明實(shí)驗(yàn)原理簡單易懂，所述實(shí)驗(yàn)裝置采用激光器代替望遠(yuǎn)鏡，實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象非常直觀，調(diào)節(jié)難度比較小，觀察與測量比較方便。光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料 代替玻璃制成，實(shí)驗(yàn)過程中不容易損壞。標(biāo)尺照明器采用LED燈，可方便調(diào)節(jié)亮度，壽命長且 不易損壞。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置 是:包括在支架底座上設(shè)置支架，支架上端設(shè)置橫梁，支架中間設(shè)置平臺，平臺可沿支架移 動以改變位置，平臺中間開有一圓孔，橫梁中間設(shè)置上夾頭及力敏傳感器，金屬絲一端與上 夾頭及力敏傳感器相連，另一端穿過平臺中間的圓孔與下夾頭相連，下夾頭上端與平臺在 同一水平面上，下夾頭通過連接裝置與鐵塊相連，鐵塊下方設(shè)置電磁鐵裝置。力敏傳感器通 過接口與測量控制器相連，力敏傳感器用來測量金屬絲所受拉力大小，并可通過力敏傳感 器測量顯示屏顯示出來。電磁鐵裝置用來通過磁力作用于鐵塊給金屬絲施加拉力，然后釋 放，從而使鐵塊在金屬絲作用下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié) 拉力大小。光杠桿放在平臺上，光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料制成，二前足在平臺的橫槽 內(nèi)，后足放在下夾頭上。在標(biāo)尺底座上設(shè)置標(biāo)尺，標(biāo)尺上設(shè)置激光器，激光器可沿標(biāo)尺移動 以改變位置，激光器通過接口與激光器控制器相連，通過工作電流調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)激光 器的工作電流。標(biāo)尺內(nèi)部設(shè)置標(biāo)尺照明器，標(biāo)尺照明器采用LED燈，可方便調(diào)節(jié)亮度，壽命長 且不易損壞，標(biāo)尺照明器與標(biāo)尺照明器控制器相連，通過亮度調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)亮度。在標(biāo) 尺上靠近激光器的正下方設(shè)置一光電傳感器，光電傳感器可沿標(biāo)尺移動以改變位置，光電 傳感器通過接口與智能光電計(jì)時(shí)器相連，通過智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏、智能光電計(jì)時(shí)器啟 停按鍵及智能光電計(jì)時(shí)器功能切換按鍵，可以測量鐵塊與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧振子做 簡諧振動的周期。
[0012]本發(fā)明所述的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置測金屬絲楊氏模量 的實(shí)驗(yàn)方法，該方法的具體過程包括以下步驟：
[0013]步驟一、調(diào)整支架底座與標(biāo)尺底座，使二者之間的距離大于1米，通過觀察水準(zhǔn)儀， 調(diào)整底座調(diào)平螺絲，使支架底座及平臺達(dá)到水平，下夾頭不與平臺相碰，使標(biāo)尺達(dá)到豎直狀 態(tài)，調(diào)節(jié)標(biāo)尺照明器的亮度，使標(biāo)尺亮度合適；
[0014]步驟二、將光杠桿放在平臺上，二前足在平臺的橫槽內(nèi)，后足放在下夾頭上，但不 要與金屬絲相碰，使光杠桿的平面鏡與平臺垂直；
[0015] 步驟三、將激光器的工作電流調(diào)節(jié)合適，左右移動標(biāo)尺底座，或使激光器沿標(biāo)尺上 下移動改變位置，使激光器發(fā)出的激光束能水平出射并且垂直入射到光杠桿的平面鏡上， 即反射光能沿原路返回出射孔；
[0016] 步驟四、使電磁鐵裝置工作，通過磁力作用于鐵塊給金屬絲施加拉力，通過調(diào)節(jié)電 磁鐵裝置工作電流，使拉力大小合適，然后使電磁鐵裝置停止工作，從而使鐵塊及金屬絲構(gòu) 成的金屬絲彈簧振子開始做簡諧振動，在鐵塊帶動下，下夾頭、光杠桿的后足及平面鏡一起 做簡諧振動，因此激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光杠桿的平面鏡反射后在標(biāo)尺上形成的光斑也一 起在標(biāo)尺上上下做簡諧振動；
[0017] 步驟五、使光電傳感器沿標(biāo)尺移動改變位置，使其位于激光器的正下方，并且在光 斑做簡諧振動的路徑上，利用智能光電計(jì)時(shí)器測量光斑在標(biāo)尺上做簡諧振動的周期，具體 過程是，通過智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵使智能光電計(jì)時(shí)器開始工作，經(jīng)過一段時(shí)間，再通過 智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵使智能光電計(jì)時(shí)器停止工作，通過智能光電計(jì)時(shí)器功能切換按 鍵，可在智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏上分別顯示光斑經(jīng)過光電傳感器的次數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間，進(jìn) 而可以計(jì)算得到光斑在標(biāo)尺上做簡諧振動的周期T，即金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期 T；
[0018] 步驟六、使鐵塊停止振動，待穩(wěn)定以后，通過力敏傳感器測量金屬絲所受拉力大 小，并通過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來，就是金屬絲彈簧振子下端所系的物體所受到 的重力，進(jìn)而可以得到其質(zhì)量m;
[0019] 步驟七、用米尺測出力敏傳感器與下夾頭間金屬絲的長度L，用千分尺測出金屬絲 的直徑d，并計(jì)算其截面積
[0020] 步驟八、將金屬絲的長度L、截面積S、金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，以及 金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T代入公式
，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
[0021 ]基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的理論基礎(chǔ)：
[0022]設(shè)一金屬絲長為L，截面積為S，楊氏模量為Y，沿長度方向施加拉力F，金屬絲伸長 量為A L，比值F/S是單位面積上的作用力，稱為脅強(qiáng)，它決定了金屬絲的形變;比值A(chǔ) L/L是 金屬絲的相對伸長，稱為脅變，它表示金屬絲形變的大小。按照胡克定律，在金屬絲的彈性 限度內(nèi)脅強(qiáng)與脅變成正比，比例系數(shù)即楊氏模量Y，即
[0026]根據(jù)(2)式，可以將該金屬絲看成一根彈性
的彈簧。將該金屬絲彈簧豎 直懸掛，下端系上一質(zhì)量為m的物體，則金屬絲彈簧與該物體構(gòu)成一金屬絲彈簧振子，給該 系統(tǒng)施加一定拉力，然后釋放，則物體將在豎直方向上做簡諧振動，其周期可由彈簧振子的 周期公式求出，BP

[0028]將金屬絲彈簧的彈性 代入（3)式，可得該金屬絲彈簧振子做簡諧振動 時(shí)的周期為
[0030]根據(jù)(4)式，可求出金屬絲的楊氏模量Y，即
[0032]根據(jù)（5)式，只要測出金屬絲的長度L，截面積S，金屬絲彈簧振子下端系上的物體 的質(zhì)量m，以及金屬絲彈簧振子做簡諧振動時(shí)的周期T，就可以代入公式求出金屬絲的楊氏 模量Y。
[0033]本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 其一，本發(fā)明提出一種新的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的方法，該方法與 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中通常采用的測金屬絲楊氏模量的靜態(tài)拉伸法存在著本質(zhì)不同，而且該方 法所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)原理很簡單，就是常見的彈簧振子模型，高中物理課中就已經(jīng)涉及到相關(guān) 公式，大學(xué)物理課中也有詳細(xì)的分析，簡單易懂。因此如果將該發(fā)明引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課 中，非常有助于豐富大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開闊學(xué)生的思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生 靈活運(yùn)用知識解決問題的能力。
[0035] 其二，本發(fā)明提出的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置也不復(fù)雜，在 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)即可，比較容易實(shí)現(xiàn)。
[0036]其三，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置采用激光器代替望遠(yuǎn)鏡，容易調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀， 觀察與測量比較方便。
[0037] 其四，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置中光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料制成，實(shí)驗(yàn)過程 中不容易損壞。
[0038] 其五，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置中標(biāo)尺照明器采用LED燈，可方便調(diào)節(jié)亮度，壽命長 且不易損壞。
[0039] 其六，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置采用電磁鐵裝置使鐵塊及金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧 振子做簡諧振動，操作方便。
[0040] 其七，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置中通過力敏傳感器測量金屬絲所受拉力大小，并通 過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來，可方便監(jiān)控金屬絲所受拉力，避免超過彈性限度;通過 測金屬絲彈簧振子下端所系的物體所受到的重力，進(jìn)而得到其質(zhì)量m，準(zhǔn)確方便。
【附圖說明】
[0041] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0042] 附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖中1 ?橫梁，2 ?上夾頭，3 ?力敏傳感器，4 ?力敏傳感器測量控制器，5 ?力敏傳感器 測量顯示屏，6.調(diào)零旋鈕，7.測量啟動按鍵，8.標(biāo)尺，9.標(biāo)尺照明器，10.標(biāo)尺照明器控制器， 11.亮度調(diào)節(jié)旋鈕，12.標(biāo)尺照明器開關(guān)按鍵，13.激光器，14.激光器控制器，15.激光器工作 電流調(diào)節(jié)旋鈕，16.平臺，17.支架，18.光杠桿，19.下夾頭，20.鐵塊，21.支架底座，22.支架 底座水準(zhǔn)儀，23.支架底座調(diào)平螺絲，24.標(biāo)尺底座，25.標(biāo)尺底座水準(zhǔn)儀，26.標(biāo)尺底座調(diào)平 螺絲，27.金屬絲，28.光電傳感器，29.智能光電計(jì)時(shí)器，30.智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏，31.智 能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵，32.智能光電計(jì)時(shí)器功能切換按鍵，33.電磁鐵裝置，34.電磁鐵裝 置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕，35.電磁鐵裝置開關(guān)按鍵，36.連接裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 圖中，在支架底座21上設(shè)置支架17,支架17上端設(shè)置橫梁1，支架17中間設(shè)置平臺 16,平臺16可沿支架17移動以改變位置，平臺16中間開有一圓孔，橫梁1中間設(shè)置上夾頭2及 力敏傳感器3,金屬絲27-端與上夾頭2及力敏傳感器3相連，另一端穿過平臺16中間的圓孔 與下夾頭19相連，下夾頭19上端與平臺16在同一水平面上，下夾頭19通過連接裝置36與鐵 塊20相連，鐵塊20下方設(shè)置電磁鐵裝置33。力敏傳感器3通過接口與力敏傳感器測量控制器 4相連，力敏傳感器3用來測量金屬絲27所受拉力大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏5顯 示出來。電磁鐵裝置33用來通過磁力作用于鐵塊20給金屬絲27施加拉力，然后釋放，從而使 鐵塊20在金屬絲27作用下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕34調(diào)節(jié)拉力 大小。光杠桿18放在平臺16上，光杠桿18的平面鏡用透明樹脂材料制成，二前足在平臺16的 橫槽內(nèi)，后足放在下夾頭19上。在標(biāo)尺底座24上設(shè)置標(biāo)尺8,標(biāo)尺8上設(shè)置激光器13,激光器 13可沿標(biāo)尺8移動以改變位置，激光器13通過接口與激光器控制器14相連，通過激光器工作 電流調(diào)節(jié)旋鈕15可以調(diào)節(jié)激光器的工作電流。標(biāo)尺8內(nèi)部設(shè)置標(biāo)尺照明器9,標(biāo)尺照明器9采 用LED燈，可方便調(diào)節(jié)亮度，壽命長且不易損壞，標(biāo)尺照明器9與標(biāo)尺照明器控制器10相連， 通過亮度調(diào)節(jié)旋鈕11可以調(diào)節(jié)亮度。在標(biāo)尺8上靠近激光器13的正下方設(shè)置一光電傳感器 28,光電傳感器28可沿標(biāo)尺8移動以改變位置，光電傳感器28通過接口與智能光電計(jì)時(shí)器29 相連，通過智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏30、智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵31及智能光電計(jì)時(shí)器功能 切換按鍵32,可以測量鐵塊20在金屬絲27作用下做簡諧振動的周期。
[0045] 具體實(shí)驗(yàn)操作步驟為：
[0046] (1)調(diào)整支架底座21與標(biāo)尺底座24,使二者之間的距離大于1米。通過觀察支架底 座水準(zhǔn)儀22，調(diào)整支架底座21上的支架底座調(diào)平螺絲23，使支架底座21及平臺16達(dá)到水平， 下夾頭19不與平臺16相碰。通過觀察標(biāo)尺底座水準(zhǔn)儀25,調(diào)整標(biāo)尺底座24上的標(biāo)尺底座調(diào) 平螺絲26,使標(biāo)尺8達(dá)到豎直狀態(tài)。通過標(biāo)尺照明器控制器10上的亮度調(diào)節(jié)旋鈕11調(diào)節(jié)標(biāo)尺 照明器9的亮度，使標(biāo)尺8亮度合適。
[0047] (2)將光杠桿18放在平臺16上，二前足在平臺16的橫槽內(nèi)，后足放在下夾頭19上， 但不要與金屬絲27相碰，使光杠桿18的平面鏡與平臺16垂直。
[0048] (3)通過激光器工作電流調(diào)節(jié)旋鈕15調(diào)節(jié)激光器13的工作電流合適，左右移動標(biāo) 尺底座24，或使激光器13沿標(biāo)尺8上下移動改變位置，使激光器13發(fā)出的激光束能水平出射 并且垂直入射到光杠桿18的平面鏡上，即反射光能沿原路返回出射孔。
[0049] (4)通過電磁鐵裝置開關(guān)按鍵35使電磁鐵裝置33工作，通過磁力作用于鐵塊20給 金屬絲27施加拉力，并通過力敏傳感器測量顯示屏5觀察金屬絲27所受拉力大小，通過調(diào)節(jié) 電磁鐵裝置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕34調(diào)節(jié)電磁鐵裝置33的工作電流，使拉力大小合適，然后通 過電磁鐵裝置開關(guān)按鍵35使電磁鐵裝置33停止工作，從而使鐵塊20及金屬絲27構(gòu)成的金屬 絲彈簧振子開始做簡諧振動。在鐵塊20帶動下，下夾頭19、光杠桿18的后足及平面鏡一起做 簡諧振動，因此激光器13發(fā)出的激光束經(jīng)光杠桿18的平面鏡反射后在標(biāo)尺8上形成的光斑 也一起在標(biāo)尺8上上下做簡諧振動。
[0050] (5)使光電傳感器28沿標(biāo)尺8移動改變位置，使其位于激光器13的正下方，并且在 光斑做簡諧振動的路徑上。利用智能光電計(jì)時(shí)器29測量光斑在標(biāo)尺8上做簡諧振動的周期， 具體過程是:通過智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵31使智能光電計(jì)時(shí)器29開始工作，經(jīng)過一段時(shí) 間，再通過智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵31使智能光電計(jì)時(shí)器29停止工作，通過智能光電計(jì)時(shí) 器功能切換按鍵32,可在智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏30上分別顯示光斑經(jīng)過光電傳感器28的次 數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而可以計(jì)算得到光斑在標(biāo)尺8上做簡諧振動的周期T，即金屬絲彈簧振 子做簡諧振動的周期T。
[0051] (6)使鐵塊20停止振動，待穩(wěn)定以后，通過力敏傳感器3測量金屬絲27所受拉力大 小，并通過力敏傳感器測量顯示屏5顯示出來，就是金屬絲彈簧振子下端所系的物體所受到 的重力，進(jìn)而可以得到其質(zhì)量m。
[0052] (7)用米尺測出力敏傳感器3與下夾頭19間金屬絲27的長度L，用千分尺測出金屬 絲27的直徑d，并計(jì)算其截面積
[0053] (8)將金屬絲27的長度L、截面積S、金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，以及金 屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T代入
，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
[0054]以上對本發(fā)明進(jìn)行了闡述，但是本發(fā)明所介紹的實(shí)施例并沒有限制的意圖，在不 背離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，本發(fā)明可有多種變化和修改。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，它包括在支架底 座上設(shè)置支架，支架上端設(shè)置橫梁，支架中間設(shè)置平臺，平臺可沿支架移動以改變位置，平 臺中間開有一圓孔，橫梁中間設(shè)置上夾頭及力敏傳感器，金屬絲一端與上夾頭及力敏傳感 器相連，另一端穿過平臺中間的圓孔與下夾頭相連，下夾頭上端與平臺在同一水平面上，下 夾頭通過連接裝置與鐵塊相連，鐵塊下方設(shè)置電磁鐵裝置;力敏傳感器通過接口與測量控 制器相連，力敏傳感器用來測量金屬絲所受拉力大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏顯 示出來;電磁鐵裝置用來通過磁力作用于鐵塊給金屬絲施加拉力，然后釋放，從而使鐵塊在 金屬絲作用下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)拉力大小;光杠桿 放在平臺上，二前足在平臺的橫槽內(nèi)，后足放在下夾頭上； 在標(biāo)尺底座上設(shè)置標(biāo)尺，標(biāo)尺上設(shè)置激光器，激光器可沿標(biāo)尺移動以改變位置，激光器 通過接口與激光器控制器相連，通過工作電流調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)激光器的工作電流;標(biāo)尺 內(nèi)部設(shè)置標(biāo)尺照明器，標(biāo)尺照明器與標(biāo)尺照明器控制器相連，通過亮度調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié) 亮度;在標(biāo)尺上靠近激光器的正下方設(shè)置一光電傳感器，光電傳感器可沿標(biāo)尺移動以改變 位置，光電傳感器通過接口與智能光電計(jì)時(shí)器相連，通過智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏、智能光電 計(jì)時(shí)器啟停按鍵及智能光電計(jì)時(shí)器功能切換按鍵，可以測量鐵塊與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈 簧振子做簡諧振動的周期。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于， 光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于， 標(biāo)尺照明器采用LED燈。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡諧振動的測金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置測金屬絲楊氏 模量的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，該方法的具體過程包括以下步驟： 步驟一、調(diào)整支架底座與標(biāo)尺底座，使二者之間的距離大于1米，通過觀察水準(zhǔn)儀，調(diào)整 底座調(diào)平螺絲，使支架底座及平臺達(dá)到水平，下夾頭不與平臺相碰，使標(biāo)尺達(dá)到豎直狀態(tài)， 調(diào)節(jié)標(biāo)尺照明器的亮度，使標(biāo)尺亮度合適； 步驟二、將光杠桿放在平臺上，二前足在平臺的橫槽內(nèi)，后足放在下夾頭上，但不要與 金屬絲相碰，使光杠桿的平面鏡與平臺垂直； 步驟三、將激光器的工作電流調(diào)節(jié)合適，左右移動標(biāo)尺底座，或使激光器沿標(biāo)尺上下移 動改變位置，使激光器發(fā)出的激光束能水平出射并且垂直入射到光杠桿的平面鏡上，即反 射光能沿原路返回出射孔； 步驟四、使電磁鐵裝置工作，通過磁力作用于鐵塊給金屬絲施加拉力，通過調(diào)節(jié)電磁鐵 裝置工作電流，使拉力大小合適，然后使電磁鐵裝置停止工作，從而使鐵塊及金屬絲構(gòu)成的 金屬絲彈簧振子開始做簡諧振動，在鐵塊帶動下，下夾頭、光杠桿的后足及平面鏡一起做簡 諧振動，因此激光器發(fā)出的激光束經(jīng)光杠桿的平面鏡反射后在標(biāo)尺上形成的光斑也一起在 標(biāo)尺上上下做簡諧振動； 步驟五、使光電傳感器沿標(biāo)尺移動改變位置，使其位于激光器的正下方，并且在光斑做 簡諧振動的路徑上，利用智能光電計(jì)時(shí)器測量光斑在標(biāo)尺上做簡諧振動的周期，具體過程 是，通過智能光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵使智能光電計(jì)時(shí)器開始工作，經(jīng)過一段時(shí)間，再通過智能 光電計(jì)時(shí)器啟停按鍵使智能光電計(jì)時(shí)器停止工作，通過智能光電計(jì)時(shí)器功能切換按鍵，可 在智能光電計(jì)時(shí)器顯示屏上分別顯示光斑經(jīng)過光電傳感器的次數(shù)及相應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而可以 計(jì)算得到光斑在標(biāo)尺上做簡諧振動的周期T，即金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T; 步驟六、使鐵塊停止振動，待穩(wěn)定以后，通過力敏傳感器測量金屬絲所受拉力大小，并 通過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來，就是金屬絲彈簧振子下端所系的物體所受到的重 力，進(jìn)而可以得到其質(zhì)量m; 步驟七、用米尺測出力敏傳感器與下夾頭間金屬絲的長度L，用千分尺測出金屬絲的直 徑d，并計(jì)算其截面積步驟八、將金屬絲的長度L、截面積S、金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，以及金屬 絲彈簧振子做簡諧振動的周期T代入，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
【文檔編號】G01N3/34GK106053268SQ201610323496
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】田凱, 張金平, 董雪峰, 王二萍, 張洋洋
【申請人】田凱