CN106053605A - 一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置及方法，涉及一种杨氏模量的测量装置及方法，本发明为解决目前大学物理实验中测金属丝杨氏模量的实验原理比较单一而且抽象，望远镜调节难度大的问题。本发明装置包括在支架上端设置横梁，中间设置平台，金属丝两端分别与激振器及铁块相连，激振器与信号源相连，在标尺上设置激光器；本发明方法利用激振器将正弦信号转换为机械振动，使金属丝弹簧振子做受迫振动，该振动通过激光器、光杠杆组成的放大系统，使激光束经光杠杆的平面镜反射后在标尺上形成的光斑振动，调节信号频率，振动幅度最大时得到金属丝弹簧振子的固有频率，代入公式计算出金属丝杨氏模量。本发明适用于金属丝杨氏模量的测量。

Description

一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一项大学物理实验，具体是涉及一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置及方法。

背景技术

在外力作用下，固体所发生的形状变化，称为形变。它可分为弹性形变和范性形变两类。外力撤除后物体能完全恢复原状的形变，称为弹性形变。如果加在物体上的外力过大，以致外力撤除后，物体不能完全恢复原状，而留下剩余形变，就称之为范性形变。在本实验中，只研究弹性形变。为此，应当控制外力的大小，以保证此外力去除后物体能恢复原状。最简单的形变是棒状物体(或金属丝)受外力后的伸长与缩短。设一物体长为L，截面积为S，沿长度方向施力F后，物体伸长(或缩短)为ΔL。比值F/S是单位面积上的作用力，称为胁强，它决定了物体的形变；比值ΔL/L是物体的相对伸长，称为胁变，它表示物体形变的大小。按照胡克定律，在物体的弹性限度内胁强与胁变成正比，比例系数称为杨氏模量。

实验表明，杨氏模量与外力F、物体的长度L和截面积S的大小无关，而只取决于棒(或金属丝)的材料。杨氏模量是描述固体材料弹性形变能力的一个重要力学参数，是选定机械构件材料的依据之一，是工程技术中常用的参数。不管是弹性材料，如各种金属材料，还是脆性材料，如玻璃、陶瓷等，或者是其他各种新材料，如玻璃钢、碳纤维复合材料等，为了保证正常安全的使用，都要测量它们的杨氏模量。长期以来，测量材料的杨氏模量通常采用静态拉伸法，一般在万能材料试验机上进行。这种方法荷载大，加载速度慢，存在弛豫过程，会增加测量误差，并且对脆性材料不易测量，在不同温度条件下测量也不方便。20世纪80年代，有人用激光全息干涉法和激光散斑法对航空航天领域的碳复合材料的杨氏模量进行测量，以此来研究材料缺陷对杨氏模量的影响，取得了很好的效果。20世纪90年代，动力学杨氏模量测量方法即悬丝耦合弯曲共振法作为国家技术标准推荐执行。这种方法能够在较大的高低温范围内测量各种材料的杨氏模量，且测量精度较高。静态法除了静态拉伸法，还有静态扭转法、静态弯曲法等；动态法除了横向共振，还有纵向共振、扭转共振等。另外还可以用波速测量法，利用连续波或者脉冲波来测量杨氏模量。

虽然动力学杨氏模量测量方法即悬丝耦合弯曲共振法有很多优点，但是由于理论公式复杂，原理不易理解，设备也比较复杂，实验难度大，因此目前大学物理实验中常采用静态拉伸法测金属丝杨氏模量，根据光杠杆放大原理来测定金属丝的微小伸长量ΔL，近年来也有采用其他一些比较先进的微小位移测量方法，比如电涡流传感器法、迈克尔逊干涉仪法、光纤位移传感器法等来测定金属丝的微小伸长量ΔL，从而计算出金属丝杨氏模量。目前大学物理实验中拉伸法测金属丝杨氏模量的实验项目主要存在以下不足：

其一，通常采用静态拉伸法测金属丝杨氏模量，原理比较单一。

其二，根据光杠杆放大原理，通过光杠杆、望远镜及标尺组成的放大系统测量金属丝的微小伸长量，方法虽然巧妙，但是原理比较抽象，不易理解，望远镜的调节难度比较大，注意事项比较多，而且直接通过人眼利用望远镜进行观察测量，非常容易疲劳，容易将数据弄错，影响测量结果的准确性。

其三，一般采用砝码给金属丝施加拉力，用砝码的标称质量计算拉力不准确，从而影响实验结果的准确性。

其四，光杠杆的平面镜一般用玻璃制成，实验过程中容易损坏。

其五，标尺照明器一般采用小型直管日光灯，亮度不易调节，容易损坏，而且由于电源装置中有电容，用完之后如不及时放电容易使实验者受到电击。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提出一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置及方法，本发明实验原理简单易懂，所述实验装置利用激振器将正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动，该振动通过激光器、光杠杆及标尺组成的放大系统，使激光器发出的激光束经光杠杆的平面镜反射后在标尺上形成的光斑在标尺上上下振动，观察光斑在标尺上的振动情况，通过调节正弦信号的频率，直到光斑的振动幅度最大为止，此时正弦信号的频率就是共振频率，也就是金属丝弹簧振子的固有频率，实验现象直观，观察与测量比较方便。光杠杆的平面镜用透明树脂材料代替玻璃制成，实验过程中不容易损坏。标尺照明器采用LED灯，可方便调节亮度，寿命长且不易损坏。

本发明解决其技术问题所采用的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置是：包括在支架底座上设置支架，支架上端设置横梁，支架中间设置平台，平台可沿支架移动以改变位置，平台中间开有一圆孔，横梁中间设置上夹头及激振器，金属丝一端与上夹头及激振器相连，另一端穿过平台中间的圆孔与下夹头相连，下夹头上端与平台在同一水平面上，下夹头通过连接装置与铁块相连。激振器通过接口与正弦信号源相连，正弦信号源输出的正弦信号电压幅度及频率大小可以通过旋钮进行连续调节，并可在显示屏上显示出来。激振器将正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动。光杠杆放在平台上，光杠杆的平面镜用透明树脂材料制成，二前足在平台的横槽内，后足放在下夹头上。在标尺底座上设置标尺，标尺上设置激光器，激光器可沿标尺移动以改变位置，激光器通过接口与激光器控制器相连，通过工作电流调节旋钮可以调节激光器的工作电流。标尺内部设置标尺照明器，标尺照明器采用LED灯，可方便调节亮度，寿命长且不易损坏，标尺照明器与标尺照明器控制器相连，通过亮度调节旋钮可以调节亮度。

本发明所述的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置测金属丝杨氏模量的实验方法，该方法的具体过程包括以下步骤：

步骤一、调整支架底座与标尺底座，使二者之间的距离大于1米，通过观察水准仪，调整底座调平螺丝，使支架底座及平台达到水平，下夹头不与平台相碰，使标尺达到竖直状态，调节标尺照明器的亮度，使标尺亮度合适；

步骤二、将光杠杆放在平台上，二前足在平台的横槽内，后足放在下夹头上，但不要与金属丝相碰，使光杠杆的平面镜与平台垂直；

步骤三、将激光器的工作电流调节合适，左右移动标尺底座，或使激光器沿标尺上下移动改变位置，使激光器发出的激光束能水平出射并且垂直入射到光杠杆的平面镜上，即反射光能沿原路返回出射孔；

步骤四、将正弦信号源输出的正弦信号电压幅度调节合适，通过调节正弦信号频率粗调旋钮逐渐增加正弦信号源输出的正弦信号的频率，激振器将正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动，当正弦信号的频率远离金属丝弹簧振子的固有频率时，铁块几乎不动或振动非常微弱；当正弦信号的频率逐渐接近金属丝弹簧振子的固有频率时，基于共振原理，铁块振动幅度逐渐增大，在铁块带动下，下夹头、光杠杆的后足及平面镜一起开始振动，因此激光器发出的激光束经光杠杆的平面镜反射后在标尺上形成的光斑也一起在标尺上上下振动；

步骤五、观察光斑在标尺上的振动情况，通过调节正弦信号频率细调旋钮，进一步仔细调节正弦信号源输出的正弦信号的频率大小，直到光斑的振动幅度最大为止，此时从正弦信号频率显示屏上读出的频率就是共振频率，也就是金属丝弹簧振子的固有频率f；

步骤六、用天平测出金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m，用米尺测出激振器与下夹头间金属丝的长度L，用千分尺测出金属丝的直径d，并计算金属丝的截面积

步骤七、将金属丝的长度L、截面积S、金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m，以及金属丝弹簧振子的固有频率f代入公式即可求出金属丝的杨氏模量Y。

基于共振原理的测金属丝杨氏模量的理论基础：

设一金属丝长为L，截面积为S，杨氏模量为Y，沿长度方向施加拉力F，金属丝伸长量为ΔL，比值F/S是单位面积上的作用力，称为胁强，它决定了金属丝的形变；比值ΔL/L是金属丝的相对伸长，称为胁变，它表示金属丝形变的大小。按照胡克定律，在金属丝的弹性限度内胁强与胁变成正比，比例系数即杨氏模量Y，即

$\frac{F}{S}=Y\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{L}---\left(1\right)$

将(1)式变为

$F=\frac{YS}{L}\·\mathrm{\Δ}L---\left(2\right)$

根据(2)式，可以将该金属丝看成一根弹性系数的弹簧，将该金属丝弹簧竖直悬挂，下端系上一质量为m的物体，则金属丝弹簧与该物体构成一金属丝弹簧振子，给该系统施加一定拉力，然后释放，则物体将在竖直方向上做简谐振动，其周期可由弹簧振子的周期公式求出，即

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{m}{k}}---\left(3\right)$

由上式可得金属丝弹簧振子的固有频率为

$f=\frac{1}{T}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m}}---\left(4\right)$

将金属丝弹簧的弹性系数代入(4)式，可得

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{YS}{Lm}}---\left(5\right)$

根据(5)式，可求出金属丝的杨氏模量Y，即

$Y=\frac{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}Lm}{S}---\left(6\right)$

外加振动源作用于金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动。当外加振动源的频率不等于金属丝弹簧振子的固有频率时，金属丝弹簧振子几乎不振动或振动幅度很小；当外加振动源的频率等于金属丝弹簧振子的固有频率时，基于共振原理，金属丝弹簧振子的振动幅度将突然增大。测出此时外加振动源的频率f，即金属丝弹簧振子的固有频率f。测出金属丝的长度L，截面积S，金属丝弹簧振子下端所系的物体的质量m，就可以根据公式(6)，求出金属丝的杨氏模量Y。

本发明的有益效果是：

其一，本发明提出一种新的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的方法，该方法与大学物理实验课中通常采用的测金属丝杨氏模量的静态拉伸法存在着本质不同，而且该方法所依据的实验原理很简单，就是常见的弹簧振子模型及共振原理，高中物理课中就已经涉及到相关公式，大学物理课中也有详细的分析，简单易懂。因此如果将该发明引入到大学物理实验课中，非常有助于丰富大学物理实验内容，开阔学生的思路，培养学生的创新精神，增强学生灵活运用知识解决问题的能力。

其二，本发明提出的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置也不复杂，在现有实验装置的基础上稍加改进即可，比较容易实现。

其三，本发明提出的实验装置采用激光器代替望远镜，容易调节，实验现象直观，观察与测量比较方便。

其四，本发明提出的实验装置中光杠杆的平面镜用透明树脂材料制成，实验过程中不容易损坏。

其五，本发明提出的实验装置中标尺照明器采用LED灯，可方便调节亮度，寿命长且不易损坏。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图是本发明的结构示意图。

图中1.横梁，2.上夹头，3.激振器，4.正弦信号源，5.正弦信号频率显示屏，6.正弦信号电压幅度显示屏，7.正弦信号电压幅度调节旋钮，8.标尺，9.标尺照明器，10.标尺照明器控制器，11.亮度调节旋钮，12.标尺照明器开关按键，13.激光器，14.激光器控制器，15.激光器工作电流调节旋钮，16.平台，17.支架，18.光杠杆，19.下夹头，20.铁块，21.支架底座，22.支架底座水准仪，23.支架底座调平螺丝，24.标尺底座，25.标尺底座水准仪，26.标尺底座调平螺丝，27.金属丝，28.连接装置，29.正弦信号频率粗调旋钮，30.正弦信号频率细调旋钮。

具体实施方式

图中，在支架底座21上设置支架17，支架17上端设置横梁1，支架17中间设置平台16，平台16可沿支架17移动以改变位置，平台16中间开有一圆孔，横梁1中间设置上夹头2及激振器3，金属丝27一端与上夹头2及激振器3相连，另一端穿过平台16中间的圆孔与下夹头19相连，下夹头19上端与平台16在同一水平面上，下夹头19通过连接装置28与铁块20相连。激振器3通过接口与正弦信号源4相连，正弦信号源4输出的正弦信号电压幅度可以通过正弦信号电压幅度调节旋钮7进行连续调节，并可在正弦信号电压幅度显示屏6上显示出来；正弦信号频率大小可以通过正弦信号频率粗调旋钮29及正弦信号频率细调旋钮30进行连续调节，并可在正弦信号频率显示屏5上显示出来。激振器3将正弦信号源4输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块20及金属丝27构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动。光杠杆18放在平台16上，光杠杆18的平面镜用透明树脂材料制成，二前足在平台16的横槽内，后足放在下夹头19上。在标尺底座24上设置标尺8，标尺8上设置激光器13，激光器13可沿标尺8移动以改变位置，激光器13通过接口与激光器控制器14相连，通过激光器工作电流调节旋钮15可以调节激光器的工作电流。标尺8内部设置标尺照明器9，标尺照明器9采用LED灯，可方便调节亮度，寿命长且不易损坏，标尺照明器9与标尺照明器控制器10相连，通过亮度调节旋钮11可以调节亮度。

具体实验操作步骤为：

(1)调整支架底座21与标尺底座24，使二者之间的距离大于1米。通过观察支架底座水准仪22，调整支架底座21上的支架底座调平螺丝23，使支架底座21及平台16达到水平，下夹头19不与平台16相碰。通过观察标尺底座水准仪25，调整标尺底座24上的标尺底座调平螺丝26，使标尺8达到竖直状态。通过标尺照明器控制器10上的亮度调节旋钮11调节标尺照明器9的亮度，使标尺8亮度合适。

(2)将光杠杆18放在平台16上，二前足在平台16的横槽内，后足放在下夹头19上，但不要与金属丝27相碰，使光杠杆18的平面镜与平台16垂直。

(3)通过激光器工作电流调节旋钮15调节激光器13的工作电流合适，左右移动标尺底座24，或使激光器13沿标尺8上下移动改变位置，使激光器13发出的激光束能水平出射并且垂直入射到光杠杆18的平面镜上，即反射光能沿原路返回出射孔。

(4)通过正弦信号电压幅度调节旋钮7及正弦信号电压幅度显示屏6，将正弦信号源4输出的正弦信号电压幅度调节合适。通过调节正弦信号频率粗调旋钮29逐渐增加正弦信号源4输出的正弦信号的频率，激振器3将正弦信号源4输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块20及金属丝27构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动。当正弦信号的频率远离金属丝弹簧振子的固有频率时，铁块20几乎不动或振动非常微弱；当正弦信号的频率逐渐接近金属丝弹簧振子的固有频率时，基于共振原理，铁块20的振动幅度逐渐增大，在铁块20带动下，下夹头19、光杠杆18的后足及平面镜一起开始振动，因此激光器13发出的激光束经光杠杆18的平面镜反射后在标尺8上形成的光斑也一起在标尺8上上下振动。

(5)观察光斑在标尺8上的振动情况，通过调节正弦信号频率细调旋钮30，进一步仔细调节正弦信号源4输出的正弦信号的频率大小，直到光斑的振动幅度最大为止，此时从正弦信号频率显示屏5上读出的频率就是共振频率，也就是金属丝弹簧振子的固有频率f。

(6)用天平测出金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m，用米尺测出激振器3与下夹头19间金属丝27的长度L，用千分尺测出金属丝27的直径d，并计算金属丝的截面积

(7)将金属丝27的长度L、截面积S、金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m以及金属丝弹簧振子的固有频率f代入公式即可求出金属丝的杨氏模量Y。

以上对本发明进行了阐述，但是本发明所介绍的实施例并没有限制的意图，在不背离本发明主旨的范围内，本发明可有多种变化和修改。

Claims (4)

1.一种基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括在支架底座上设置支架，支架上端设置横梁，支架中间设置平台，平台可沿支架移动以改变位置，平台中间开有一圆孔，横梁中间设置上夹头及激振器，金属丝一端与上夹头及激振器相连，另一端穿过平台中间的圆孔与下夹头相连，下夹头上端与平台在同一水平面上，下夹头通过连接装置与铁块相连；激振器通过接口与正弦信号源相连，正弦信号源输出的正弦信号电压幅度及频率大小可以通过旋钮进行连续调节，并可在显示屏上显示出来，激振器将正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动；光杠杆放在平台上，二前足在平台的横槽内，后足放在下夹头上；

在标尺底座上设置标尺，标尺上设置激光器，激光器可沿标尺移动以改变位置，激光器通过接口与激光器控制器相连，通过工作电流调节旋钮可以调节激光器的工作电流，标尺内部设置标尺照明器，可方便调节亮度，寿命长且不易损坏，标尺照明器与标尺照明器控制器相连，通过亮度调节旋钮可以调节亮度。

2.根据权利要求1所述的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置，其特征在于，光杠杆的平面镜用透明树脂材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置，其特征在于，标尺照明器采用LED灯。

4.根据权利要求1所述的基于共振原理的测金属丝杨氏模量的实验装置测金属丝杨氏模量的实验方法，其特征在于，该方法的具体过程包括以下步骤：

步骤一、调整支架底座与标尺底座，使二者之间的距离大于1米，通过观察水准仪，调整底座调平螺丝，使支架底座及平台达到水平，下夹头不与平台相碰，使标尺达到竖直状态，调节标尺照明器的亮度，使标尺亮度合适；

步骤二、将光杠杆放在平台上，二前足在平台的横槽内，后足放在下夹头上，但不要与金属丝相碰，使光杠杆的平面镜与平台垂直；

步骤三、将激光器的工作电流调节合适，左右移动标尺底座，或使激光器沿标尺上下移动改变位置，使激光器发出的激光束能水平出射并且垂直入射到光杠杆的平面镜上，即反射光能沿原路返回出射孔；

步骤四、将正弦信号源输出的正弦信号电压幅度调节合适，通过调节正弦信号频率粗调旋钮逐渐增加正弦信号源输出的正弦信号的频率，激振器将正弦信号源输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动，当正弦信号的频率远离金属丝弹簧振子的固有频率时，铁块几乎不动或振动非常微弱；当正弦信号的频率逐渐接近金属丝弹簧振子的固有频率时，基于共振原理，铁块振动幅度逐渐增大，在铁块带动下，下夹头、光杠杆的后足及平面镜一起开始振动，因此激光器发出的激光束经光杠杆的平面镜反射后在标尺上形成的光斑也一起在标尺上上下振动；

步骤五、观察光斑在标尺上的振动情况，通过调节正弦信号频率细调旋钮，进一步仔细调节正弦信号源输出的正弦信号的频率大小，直到光斑的振动幅度最大为止，此时从正弦信号频率显示屏上读出的频率就是共振频率，也就是金属丝弹簧振子的固有频率f；

步骤六、用天平测出金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m，用米尺测出激振器与下夹头间金属丝的长度L，用千分尺测出金属丝的直径d，并计算金属丝的截面积

步骤七、将金属丝的长度L、截面积S、金属丝弹簧振子下端所系物体的质量m，以及金属丝弹簧振子的固有频率f代入公式即可求出金属丝的杨氏模量Y。