一種用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法
【專利摘要】一種用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法，涉及一種楊氏模量測量裝置及方法，本發(fā)明為解決目前大學物理實驗中測金屬絲楊氏模量的實驗原理單一抽象，望遠鏡調(diào)節(jié)難度大的問題。本發(fā)明裝置包括在支架上端設(shè)置橫梁，橫梁中間設(shè)置上夾頭及激振器，金屬絲兩端與激振器及活動銜鐵相連，激振器與信號源相連，測量裝置由電感線圈及可調(diào)電阻構(gòu)成的差動電橋、交流電壓源、放大裝置及示波器構(gòu)成；本發(fā)明方法利用激振器將正弦信號轉(zhuǎn)換為機械振動，使金屬絲彈簧振子做受迫振動，由可變電感構(gòu)成的電橋轉(zhuǎn)換為電信號，調(diào)節(jié)信號頻率，當波形幅度最大時得到金屬絲彈簧振子的固有頻率，代入公式計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】
一種用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種大學物理實驗裝置，具體是涉及一種用共振原理測金屬絲楊氏模 量的實驗裝置及方法。
【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，物體不能完全恢復原狀，而留下剩余形變，就稱之為范性形變。在本實 驗中，只研究彈性形變。為此，應(yīng)當控制外力的大小，以保證此外力去除后物體能恢復原狀。 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， 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)脅強與脅變成正比，比例系數(shù)
稱為楊 氏模量。
[0003] 實驗表明，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參數(shù)，是選定 機械構(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用 靜態(tài)拉伸法，一般在萬能材料試驗機上進行。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)域的碳復合材料的楊氏模量進行測 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90年代，動力學楊 氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法作為國家技術(shù)標準推薦執(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]雖然動力學楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法有很多優(yōu)點，但是由于理論 公式復雜，原理不易理解，設(shè)備也比較復雜，實驗難度大，因此目前大學物理實驗中常用靜 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 也有用其他一些比較先進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，從而計算出金屬絲楊氏模量。目前大 學物理實驗中拉伸法測金屬絲楊氏模量的實驗項目主要存在以下不足：
[0005] 其一，通常用靜態(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、望遠鏡及標尺組成的放大系統(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，望遠鏡的調(diào)節(jié)難度比較大， 注意事項比較多，而且直接通過人眼利用望遠鏡進行觀察測量，非常容易疲勞，容易將數(shù)據(jù) 弄錯，影響測量結(jié)果的準確性。
[0007] 其三，一般用砝碼給金屬絲施加拉力，用砝碼的標稱質(zhì)量計算拉力不準確，從而影 響實驗結(jié)果的準確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提出一種用共振原理測金屬絲楊氏模量的 實驗裝置及方法，本發(fā)明實驗原理簡單易懂，所述實驗裝置利用激振器將正弦信號源輸出 的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金屬絲構(gòu)成的 金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動，該振動通過電感值的變化轉(zhuǎn)換為周 期性變化的電橋輸出電壓，在模擬示波器上觀察經(jīng)放大后的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào) 節(jié)正弦信號的頻率，直到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時正弦信號的頻率就是共 振頻率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率，實驗現(xiàn)象直觀，觀察與測量比較方便。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題的用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置是:包括在支 架底座上設(shè)置支架，支架上端設(shè)置橫梁，橫梁中間設(shè)置上夾頭及激振器，金屬絲一端與上夾 頭及激振器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一活動銜鐵固定在一起，活動銜鐵通過連 接裝置與一鐵塊相連。激振器通過接口與正弦信號源相連，正弦信號源輸出的正弦信號電 壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在顯示屏上顯示出來。激振器將正弦 信號源輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金 屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動。兩個規(guī)格完全相同的鐵 芯分別設(shè)置在兩個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置，兩只規(guī)格完 全相同的電感線圈分別繞在兩個鐵芯上。兩只電感線圈及兩只可調(diào)電阻共同構(gòu)成一個差動 電橋，由可調(diào)交流電壓源給電橋提供電源，可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻 率大小可以通過旋鈕進行調(diào)節(jié)，并可在可調(diào)交流電壓源顯示屏上顯示出來。電橋的輸出端 連接運算放大器一，作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數(shù)可以通過改變可調(diào)反饋電阻 及可調(diào)輸入電阻的大小進行調(diào)節(jié)，將電橋的輸出電壓放大，再經(jīng)作為輸出緩沖器的運算放 大器二輸出，運算放大器二通過接口與模擬示波器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋 輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察與測量。
[0010] 本發(fā)明所述的用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置測金屬絲楊氏模量的實 驗方法，該方法的具體過程包括以下步驟：
[0011] 步驟一、通過觀察支架底座水準儀，調(diào)整支架底座上的支架底座調(diào)平螺絲，使支架 底座水平；
[0012] 步驟二、沿支架移動夾具，使活動銜鐵位于鐵芯一及鐵芯二中間，通過可調(diào)交流電 壓源電壓調(diào)節(jié)旋鈕及頻率調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)，將可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度 及頻率調(diào)節(jié)合適，通過改變可調(diào)反饋電阻及可調(diào)輸入電阻的大小將運算放大器一的電壓放 大倍數(shù)調(diào)節(jié)合適，通過模擬示波器將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，通過模擬示 波器顯示屏觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，進一步沿支架移動夾具，仔細調(diào)整鐵芯一 及鐵芯二的位置，使電橋輸出電壓為零，此時活動銜鐵位于鐵芯一及鐵芯二的正中間；
[0013] 步驟三、將正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)合適，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻 率粗調(diào)旋鈕逐漸增加正弦信號源輸出的正弦信號的頻率，激振器將正弦信號源輸出的正弦 信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金屬絲構(gòu)成的金屬絲 彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動，當正弦信號的頻率遠離金屬絲彈簧振子的 固有頻率時，活動銜鐵幾乎不動或振動非常微弱；當正弦信號的頻率逐漸接近金屬絲彈簧 振子的固有頻率時，基于共振原理，活動銜鐵的振動幅度逐漸增大，活動銜鐵上下移動時氣 隙被改變，因此電感線圈一及電感線圈二的電感值隨之發(fā)生周期性的變化，且一增一減，從 而使電橋輸出電壓隨之周期性地變化；
[0014] 步驟四、該周期性變化的電橋輸出電壓經(jīng)運算放大器一放大后，再經(jīng)作為輸出緩 沖器的運算放大器二輸出，波形在模擬示波器上顯示出來，在模擬示波器顯示屏上觀察放 大后的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率細調(diào)旋鈕，進一步仔細調(diào)節(jié)正弦信號 源輸出的正弦信號的頻率大小，直到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時從正弦信號 頻率顯示屏上讀出的頻率就是共振頻率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率f;
[0015] 步驟五、用天平測出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測出激振器與 下夾頭間金屬絲的長度L，用千分尺測出金屬絲的直徑d，并計算金屬絲的截面積，
[0016] 步驟六、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 金屬絲彈簧振子的固有頻率f代入公式
，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
[0017] 用共振原理的測金屬絲楊氏模量的理論基礎(chǔ)：
[0018] 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，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)脅強與脅變成正比，比例系數(shù)即楊氏模量Y，即
[0020]將(1)式變?yōu)?br>[0022]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
[0024]由上式可得金屬絲彈簧振子的固有頻率為
[0026]將金屬絲彈簧的彈性系數(shù)
代入(4)式，可得

[0028]根據(jù)(5)式，可求出金屬絲的楊氏模量Y，即
[0030]外加振動源作用于金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動。當外加 振動源的頻率不等于金屬絲彈簧振子的固有頻率時，金屬絲彈簧振子幾乎不振動或振動幅 度很小；當外加振動源的頻率等于金屬絲彈簧振子的固有頻率時，基于共振原理，金屬絲彈 簧振子的振動幅度將突然增大。測出此時外加振動源的頻率f，即金屬絲彈簧振子的固有頻 率f。測出金屬絲的長度L，截面積S，金屬絲彈簧振子下端所系的物體的質(zhì)量m，就可以根據(jù) 公式(6)，求出金屬絲的楊氏模量Y。
[0031]本發(fā)明的有益效果是：
[0032] 其一，本發(fā)明提出一種新的基于共振原理的測金屬絲楊氏模量的方法，該方法與 大學物理實驗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)的實驗原理很簡單，就是常見的彈簧振子模型及共振原理，高中物理課中就已經(jīng) 涉及到相關(guān)公式，大學物理課中也有詳細的分析，簡單易懂。因此如果將該發(fā)明引入到大學 物理實驗課中，非常有助于豐富大學物理實驗內(nèi)容，開闊學生的思路，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精 神，增強學生靈活運用知識解決問題的能力。
[0033] 其二，本發(fā)明提出的用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置也不復雜，在現(xiàn)有 實驗裝置的基礎(chǔ)上稍加改進即可，比較容易實現(xiàn)。
[0034]其三，本發(fā)明提出的實驗裝置利用激振器將正弦信號源輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同 頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧振子，使 金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動，該振動通過電感值的變化轉(zhuǎn)換為周期性變化的電橋輸出 電壓，在模擬示波器上觀察經(jīng)放大后的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào)節(jié)正弦信號的頻率，直 到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時正弦信號的頻率就是共振頻率，也就是金屬絲 彈簧振子的固有頻率，實驗現(xiàn)象直觀，觀察與測量比較方便。
【附圖說明】
[0035]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0036]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一。
[0037]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二。
[0038]圖中1.橫梁，2.上夾頭，3.激振器，4.支架，5.支架底座調(diào)平螺絲，6.支架底座水準 儀，7.支架底座，8.正弦信號源，9.正弦信號頻率顯示屏，10.正弦信號頻率粗調(diào)旋鈕，11.正 弦信號頻率細調(diào)旋鈕，12.正弦信號電壓幅度顯示屏，13.正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕，14. 激振器與正弦信號源之間的接口，15.金屬絲，16.下夾頭，17.活動銜鐵，18.鐵塊，19.電感 線圈一，20.電感線圈二，21.鐵芯一，22.鐵芯二，23.連接裝置，24.夾具一，25.夾具二，26. 可調(diào)電阻一，27 .可調(diào)電阻二，28.可調(diào)交流電壓源，29.可調(diào)交流電壓源顯示屏，30 .可調(diào)交 流電壓源電壓調(diào)節(jié)旋鈕，31.可調(diào)交流電壓源頻率調(diào)節(jié)旋鈕，32.可調(diào)交流電壓源功能切換 按鍵，33.可調(diào)反饋電阻，34.運算放大器一，35.可調(diào)輸入電阻，36.運算放大器二，37.模擬 示波器，38.模擬示波器顯示屏，39.模擬示波器開關(guān)按鍵。
【具體實施方式】
[0039] 圖中，在支架底座7上設(shè)置支架4，支架4上端設(shè)置橫梁1，橫梁1中間設(shè)置上夾頭2及 激振器3,金屬絲15-端與上夾頭2及激振器3相連，另一端與下夾頭16相連，下夾頭16與一 活動銜鐵17固定在一起，活動銜鐵17通過連接裝置23與一鐵塊18相連。激振器3通過激振器 與正弦信號源之間的接口 14與正弦信號源8相連，正弦信號源8輸出的正弦信號電壓幅度可 以通過正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕13進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在正弦信號電壓幅度顯示屏12上 顯示出來;正弦信號頻率大小可以通過正弦信號頻率粗調(diào)旋鈕10及正弦信號頻率細調(diào)旋鈕 11進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在正弦信號頻率顯示屏9上顯示出來。激振器3將正弦信號源8輸出的 正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊18及活動銜鐵17與金屬絲15構(gòu) 成的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動。兩個規(guī)格完全相同的鐵芯即鐵 芯一 21及鐵芯二22分別設(shè)置在兩個夾具即夾具一 24及夾具二25上，夾具一 24及夾具二25安 裝在支架4上，夾具一 24及夾具二25可沿支架4移動以改變位置，兩只規(guī)格完全相同的電感 線圈即電感線圈一 19及電感線圈二20分別繞在鐵芯一 21及鐵芯二22上。兩只電感線圈即電 感線圈一 19、電感線圈二20及兩只可調(diào)電阻即可調(diào)電阻一 26、可調(diào)電阻二27共同構(gòu)成一個 差動電橋。由可調(diào)交流電壓源28給電橋提供電源，可調(diào)交流電壓源28輸出的正弦信號電壓 幅度及頻率大小可以分別通過可調(diào)交流電壓源電壓調(diào)節(jié)旋鈕30及可調(diào)交流電壓源頻率調(diào) 節(jié)旋鈕31進行調(diào)節(jié)，并可在可調(diào)交流電壓源顯示屏29上顯示出來。電橋的輸出端連接運算 放大器一 34,運算放大器一 34作為一個反向電壓放大器，電壓放大倍數(shù)可以通過改變可調(diào) 反饋電阻33及可調(diào)輸入電阻35的大小進行調(diào)節(jié)，將電橋的輸出電壓放大，再經(jīng)作為輸出緩 沖器的運算放大器二36輸出，運算放大器二36通過接口與模擬示波器37相連，模擬示波器 37可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察與測量。
[0040] 具體實驗操作步驟為：
[0041 ] (1)通過觀察支架底座水準儀6，調(diào)整支架底座7上的支架底座調(diào)平螺絲5，使支架 底座7水平。
[0042] (2)沿支架4移動夾具一 24及夾具二25,使活動銜鐵17位于鐵芯一 21及鐵芯二22中 間，通過可調(diào)交流電壓源功能切換按鍵32,在可調(diào)交流電壓源顯示屏29上分別顯示可調(diào)交 流電壓源28輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小，通過可調(diào)交流電壓源電壓調(diào)節(jié)旋鈕30及 可調(diào)交流電壓源頻率調(diào)節(jié)旋鈕31進行調(diào)節(jié)，將可調(diào)交流電壓源28輸出的正弦信號電壓幅度 及頻率調(diào)節(jié)合適。通過改變可調(diào)反饋電阻33及可調(diào)輸入電阻35的大小將運算放大器一 34的 電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)合適，通過模擬示波器37將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來。通 過模擬示波器顯示屏38觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，進一步沿支架4仔細調(diào)整夾具 一 24及夾具二25的位置，使電橋輸出電壓為零，此時活動銜鐵17位于鐵芯一 21及鐵芯二22 的正中間。
[0043] (3)通過正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕13及正弦信號電壓幅度顯示屏12,將正弦信 號源8輸出的正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)合適。通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率粗調(diào)旋鈕10逐漸增加正 弦信號源8輸出的正弦信號的頻率，激振器3將正弦信號源8輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率 的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊18及活動銜鐵17與金屬絲15構(gòu)成的金屬絲彈簧振子， 使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動。當正弦信號的頻率遠離金屬絲彈簧振子的固有頻率 時，活動銜鐵17幾乎不動或振動非常微弱；當正弦信號的頻率逐漸接近金屬絲彈簧振子的 固有頻率時，基于共振原理，活動銜鐵17的振動幅度逐漸增大，活動銜鐵17上下移動時氣隙 被改變，因此電感線圈一 19及電感線圈二20的電感值隨之發(fā)生周期性的變化，且一增一減， 從而使電橋輸出電壓隨之周期性地變化。
[0044] (4)該周期性變化的電橋輸出電壓經(jīng)運算放大器一34放大后，再經(jīng)作為輸出緩沖 器的運算放大器二36輸出，波形在模擬示波器37上顯示出來，在模擬示波器顯示屏38上觀 察放大后的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率細調(diào)旋鈕11，進一步仔細調(diào)節(jié)正 弦信號源8輸出的正弦信號的頻率大小，直到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時從正 弦信號頻率顯示屏9上讀出的頻率就是共振頻率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率f。
[0045] (5)用天平測出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測出激振器3與下 夾頭16間金屬絲15的長度L，用于分尺測出金屬絲15的直徑d，并計算金屬絲的截面積
[0046] (6)將金屬絲15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 屬絲彈簧振子的固有頻率f代入公式
，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
[0047] 以上對本發(fā)明進行了闡述，但是本發(fā)明所介紹的實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】
1. 一種用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置，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，橫梁中間設(shè)置上夾頭及激振器，金屬絲一端與上夾頭及激振 器相連，另一端與下夾頭相連，下夾頭與一活動銜鐵固定在一起，活動銜鐵通過連接裝置與 一鐵塊相連;激振器通過接口與正弦信號源相連，正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度及 頻率大小可以通過旋鈕進行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在顯示屏上顯示出來，激振器將正弦信號源輸 出的正弦信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金屬絲構(gòu)成 的金屬絲彈簧振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動;兩個規(guī)格完全相同的鐵芯分別設(shè) 置在兩個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移動以改變位置，兩只規(guī)格完全相同的 電感線圈分別繞在兩個鐵芯上； 兩只電感線圈及兩只可調(diào)電阻共同構(gòu)成一個差動電橋，由可調(diào)交流電壓源給電橋提供 電源，可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻率大小可以通過旋鈕進行調(diào)節(jié)，并可 在可調(diào)交流電壓源顯示屏上顯示出來；電橋的輸出端連接運算放大器一，作為一個反向電 壓放大器，電壓放大倍數(shù)可以通過改變可調(diào)反饋電阻及可調(diào)輸入電阻的大小進行調(diào)節(jié)，將 電橋的輸出電壓放大，再經(jīng)作為輸出緩沖器的運算放大器二輸出，運算放大器二通過接口 與模擬示波器相連，模擬示波器可以將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，進行觀察 與測量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用共振原理測金屬絲楊氏模量的實驗裝置測金屬絲楊氏模量 的實驗方法，其特征在于，該方法的具體過程包括以下步驟： 步驟一、通過觀察支架底座水準儀，調(diào)整支架底座上的支架底座調(diào)平螺絲，使支架底座 水平； 步驟二、沿支架移動夾具，使活動銜鐵位于鐵芯一及鐵芯二中間，通過可調(diào)交流電壓源 電壓調(diào)節(jié)旋鈕及頻率調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)，將可調(diào)交流電壓源輸出的正弦信號電壓幅度及頻 率調(diào)節(jié)合適，通過改變可調(diào)反饋電阻及可調(diào)輸入電阻的大小將運算放大器一的電壓放大倍 數(shù)調(diào)節(jié)合適，通過模擬示波器將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，通過模擬示波器 顯示屏觀察放大后的電橋輸出電壓的波形，進一步沿支架移動夾具，仔細調(diào)整鐵芯一及鐵 芯二的位置，使電橋輸出電壓為零，此時活動銜鐵位于鐵芯一及鐵芯二的正中間； 步驟三、將正弦信號源輸出的正弦信號電壓幅度調(diào)節(jié)合適，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率粗 調(diào)旋鈕逐漸增加正弦信號源輸出的正弦信號的頻率，激振器將正弦信號源輸出的正弦信號 轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，傳給連接在一起的鐵塊及活動銜鐵與金屬絲構(gòu)成的金屬絲彈簧 振子，使金屬絲彈簧振子做縱向受迫振動，當正弦信號的頻率遠離金屬絲彈簧振子的固有 頻率時，活動銜鐵幾乎不動或振動非常微弱；當正弦信號的頻率逐漸接近金屬絲彈簧振子 的固有頻率時，基于共振原理，活動銜鐵的振動幅度逐漸增大，活動銜鐵上下移動時氣隙被 改變，因此電感線圈一及電感線圈二的電感值隨之發(fā)生周期性的變化，且一增一減，從而使 電橋輸出電壓隨之周期性地變化； 步驟四、該周期性變化的電橋輸出電壓經(jīng)運算放大器一放大后，再經(jīng)作為輸出緩沖器 的運算放大器二輸出，波形在模擬示波器上顯示出來，在模擬示波器顯示屏上觀察放大后 的電橋輸出電壓的波形，通過調(diào)節(jié)正弦信號頻率細調(diào)旋鈕，進一步仔細調(diào)節(jié)正弦信號源輸 出的正弦信號的頻率大小，直到電橋輸出電壓的波形幅度最大為止，此時從正弦信號頻率 顯示屏上讀出的頻率就是共振頻率，也就是金屬絲彈簧振子的固有頻率f; 步驟五、用天平測出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測出激振器與下夾 頭間金屬絲的長度L，用千分尺測出金屬絲的直徑d，并計算金屬絲的截步驟六、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 絲彈簧振子的固有頻率f代入，即可求出金屬絲的楊氏模量Y。
【文檔編號】G09B23/10GK106053604SQ201610316279
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月7日
【發(fā)明人】田凱, 蔡曉艷, 王寧, 趙鵬濤, 胡彬
【申請人】田凱