一種依據(jù)共振原理測(cè)金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置及方法
【專利摘要】一種依據(jù)共振原理測(cè)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(cè)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(cè)金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)原理單一抽象，望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)難度大的問(wèn)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，金屬絲兩端分別與激振器及下夾頭相連，下夾頭與金屬框架固定在一起，激振器與信號(hào)源相連，測(cè)量裝置由霍爾元件、測(cè)量控制器、電壓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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，使金屬絲彈簧振子做受迫振動(dòng)，由霍爾元件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，當(dāng)波形幅度最大時(shí)得到金屬絲彈簧振子的固有頻率，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(cè)量。
【專利說(shuō)明】
一種依據(jù)共振原理測(cè)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)明涉及一種大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)裝置，具體是涉及一種依據(jù)共振原理測(cè)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(guò) 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(jiǎn)單的形變是棒狀物體(或金屬絲)受外力后的伸長(zhǎng)與縮短。設(shè)一物體長(zhǎng)為L(zhǎng)，截面積為S， 沿長(zhǎng)度方向施力F后，物體伸長(zhǎng)(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(duì)伸長(zhǎng)，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 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(zhǎng)度L和截面積S的大小無(wú)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(gè)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(cè)量它們的楊氏模量。長(zhǎng)期以來(lái)，測(cè)量材料的楊氏模量通常采 用靜態(tài)拉伸法，一般在萬(wàn)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(guò) 程，會(huì)增加測(cè)量誤差，并且對(duì)脆性材料不易測(cè)量，在不同溫度條件下測(cè)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(duì)航空航天領(lǐng)域的碳復(fù)合材料的楊氏模量進(jìn) 行測(cè)量，以此來(lái)研究材料缺陷對(duì)楊氏模量的影響，取得了很好的效果。20世紀(jì)90年代，動(dòng)力 學(xué)楊氏模量測(cè)量方法即懸絲耦合彎曲共振法作為國(guó)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(cè)量各種材料的楊氏模量，且測(cè)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(dòng)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(cè)量法，利用連續(xù)波或者脈沖波來(lái)測(cè)量楊氏模量。
[0004]雖然動(dòng)力學(xué)楊氏模量測(cè)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(cè)金屬絲楊氏模量，根據(jù)光杠桿放大原理來(lái)測(cè)定金屬絲的微小伸長(zhǎng)量A L，近年 來(lái)也有采用其他一些比較先進(jìn)的微小位移測(cè)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(lái)測(cè)定金屬絲的微小伸長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(guò)光杠桿、望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺組成的放大系統(tǒng)測(cè)量金屬 絲的微小伸長(zhǎng)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(guò)人眼利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀察測(cè)量，非常容易疲勞，容易將數(shù)據(jù) 弄錯(cuò)，影響測(cè)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。

【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)明提出一種依據(jù)共振原理測(cè)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(jiǎn)單易懂，所述實(shí)驗(yàn)裝置利用激振器將正弦信號(hào)源輸 出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(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(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為 周期性變化的霍爾電壓，在模擬示波器上觀察經(jīng)放大后的霍爾電壓的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦 信號(hào)的頻率，直到霍爾電壓波形幅度最大為止，此時(shí)正弦信號(hào)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，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，觀察與測(cè)量比較方便。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的依據(jù)共振原理測(cè)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，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，下夾頭與一金屬框架固定在一起，金屬框 架內(nèi)部固定一鐵塊。激振器通過(guò)接口與正弦信號(hào)源相連，正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)電壓 幅度及頻率大小可以通過(guò)旋鈕進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在顯示屏上顯示出來(lái)。激振器將正弦信 號(hào)源輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金 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(dòng)。規(guī)格完全相同的四塊磁 鐵對(duì)稱地設(shè)置在金屬框架側(cè)面，可隨金屬框架上下移動(dòng)，霍爾傳感器由霍爾元件、兩塊磁鐵 及霍爾元件測(cè)量控制器組成，霍爾元件設(shè)置在夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿支架移 動(dòng)以改變位置，霍爾元件通過(guò)接口與霍爾元件測(cè)量控制器相連，可通過(guò)霍爾元件工作電流 調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)霍爾元件中電流大小，霍爾元件兩端的霍爾電壓可通過(guò)霍爾元件電壓顯示屏 顯示出來(lái)，霍爾元件測(cè)量控制器通過(guò)接口與霍爾電壓放大裝置相連，霍爾電壓放大裝置通 過(guò)接口與模擬示波器相連，模擬示波器可以將通過(guò)霍爾電壓放大裝置放大后的霍爾電壓的 波形顯示出來(lái)，進(jìn)行觀察與測(cè)量。
[0010] 本發(fā)明所述的依據(jù)共振原理測(cè)金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)金屬絲楊氏模量的 實(shí)驗(yàn)方法，該方法的具體過(guò)程包括以下步驟：
[0011] 步驟一、通過(guò)觀察支架底座水準(zhǔn)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(dòng)夾具，使霍爾元件位于磁鐵三及磁鐵四的中間，將霍爾元件中 的電流大小調(diào)節(jié)合適，觀察霍爾元件兩端的霍爾電壓大小，仔細(xì)調(diào)整霍爾元件的位置，使霍 爾電壓為零，此時(shí)霍爾元件剛好位于磁鐵三及磁鐵四的正中間；
[0013] 步驟三、將正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)合適，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)頻 率粗調(diào)旋鈕逐漸增加正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)的頻率，激振器將正弦信號(hào)源輸出的正弦 信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(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(dòng)，當(dāng)正弦信號(hào)的頻率遠(yuǎn)離金屬絲彈簧振子 的固有頻率時(shí)，金屬框架幾乎不動(dòng)或振動(dòng)非常微弱；當(dāng)正弦信號(hào)的頻率逐漸接近金屬絲彈 簧振子的固有頻率時(shí)，基于共振原理，金屬框架的振動(dòng)幅度逐漸增大，在金屬框架帶動(dòng)下， 磁鐵三及磁鐵四一起上下振動(dòng)，霍爾元件所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之周期性變化，從而使 霍爾元件兩端的霍爾電壓隨之周期性地變化；
[0014] 步驟四、該周期性變化的霍爾電壓經(jīng)霍爾電壓放大裝置放大后，波形在模擬示波 器上顯示出來(lái)，在模擬示波器顯示屏上觀察經(jīng)放大后的霍爾電壓的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信 號(hào)頻率細(xì)調(diào)旋鈕，進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)的頻率大小，直到霍爾電壓 波形幅度最大為止，此時(shí)從正弦信號(hào)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(cè)出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測(cè)出激振器與 下夾頭間金屬絲的長(zhǎng)度L，用千分尺測(cè)出金屬絲的直徑d，并計(jì)算金屬絲的截面積
[0016] 步驟六、將金屬絲的長(zhǎng)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。
[0017] 依據(jù)共振原理測(cè)金屬絲楊氏模量的理論基礎(chǔ)：
[0018] 設(shè)一金屬絲長(zhǎng)為L(zhǎng)，截面積為S，楊氏模量為Y，沿長(zhǎng)度方向施加拉力F，金屬絲伸長(zhǎng) 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(duì)伸長(zhǎng)，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
[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(jiǎn)諧振動(dòng)，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
[0028]根據(jù)(5)式，可求出金屬絲的楊氏模量Y，即
[0030]外加振動(dòng)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(dòng)。當(dāng)外加 振動(dòng)源的頻率不等于金屬絲彈簧振子的固有頻率時(shí)，金屬絲彈簧振子幾乎不振動(dòng)或振動(dòng)幅 度很??；當(dāng)外加振動(dòng)源的頻率等于金屬絲彈簧振子的固有頻率時(shí)，基于共振原理，金屬絲彈 簧振子的振動(dòng)幅度將突然增大。測(cè)出此時(shí)外加振動(dòng)源的頻率f，即金屬絲彈簧振子的固有頻 率f。測(cè)出金屬絲的長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單，就是常見(jiàn)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(xué)物理課中也有詳細(xì)的分析，簡(jiǎn)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(kāi)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(shí)解決問(wèn)題的能力。
[0033] 其二，本發(fā)明提出的依據(jù)共振原理的測(cè)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)。
[0034]其三，本發(fā)明提出的實(shí)驗(yàn)裝置利用激振器將正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同 頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(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(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為周期性變化的霍爾電 壓，在模擬示波器上觀察經(jīng)放大后的霍爾電壓的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)的頻率，直到霍爾 電壓波形幅度最大為止，此時(shí)正弦信號(hào)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀，觀察與測(cè)量比較方便。
【附圖說(shuō)明】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0036]附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 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(zhǔn) 儀，7.支架底座，8.正弦信號(hào)源，9.正弦信號(hào)頻率顯示屏，10.正弦信號(hào)頻率粗調(diào)旋鈕，11.正 弦信號(hào)頻率細(xì)調(diào)旋鈕，12.正弦信號(hào)電壓幅度顯示屏，13.正弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕，14. 激振器與正弦信號(hào)源之間的接口，15.金屬絲，16.下夾頭，17 .金屬框架，18.鐵塊，19.磁鐵 一，20.磁鐵二，21.磁鐵三，22.磁鐵四，23.霍爾元件，24.霍爾元件測(cè)量控制器，25.霍爾元 件電壓顯示屏，26.霍爾元件測(cè)量控制器開(kāi)關(guān)按鍵，27.霍爾元件工作電流調(diào)節(jié)旋鈕，28.霍 爾電壓放大裝置，29.模擬示波器，30.模擬示波器顯示屏，31.模擬示波器開(kāi)關(guān)按鍵，32.夾 具。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 圖中，包括在支架底座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 與一金屬框架17固定在一起，金屬框架17內(nèi)部固定一鐵塊18。激振器3通過(guò)激振器與正弦信 號(hào)源之間的接口 14與正弦信號(hào)源8相連，正弦信號(hào)源8輸出的正弦信號(hào)電壓幅度可以通過(guò)正 弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕13進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在正弦信號(hào)電壓幅度顯示屏12上顯示出 來(lái);正弦信號(hào)頻率大小可以通過(guò)正弦信號(hào)頻率粗調(diào)旋鈕10及正弦信號(hào)頻率細(xì)調(diào)旋鈕11進(jìn)行 連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在正弦信號(hào)頻率顯示屏9上顯示出來(lái)。激振器3將正弦信號(hào)源8輸出的正弦信 號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊18和金屬框架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(dòng)。規(guī)格完全相同的四塊磁鐵即磁鐵一 19、磁鐵二20、磁鐵三21及磁鐵四22對(duì)稱地設(shè)置在金屬框架17的側(cè)面，可隨金屬框架17上下 移動(dòng)，霍爾傳感器由霍爾元件23、磁鐵三21、磁鐵四22及霍爾元件測(cè)量控制器24組成，霍爾 元件23設(shè)置在夾具32上，夾具32安裝在支架4上，夾具32可沿支架4移動(dòng)以改變位置，霍爾元 件23通過(guò)接口與霍爾元件測(cè)量控制器24相連，可通過(guò)霍爾元件工作電流調(diào)節(jié)旋鈕27調(diào)節(jié)霍 爾元件23中電流大小，霍爾元件23兩端的霍爾電壓可通過(guò)霍爾元件電壓顯示屏25顯示出 來(lái)，霍爾元件測(cè)量控制器24通過(guò)接口與霍爾電壓放大裝置28相連，霍爾電壓放大裝置28通 過(guò)接口與模擬示波器29相連，模擬示波器29可以將通過(guò)霍爾電壓放大裝置28放大后的霍爾 電壓的波形顯示出來(lái)，在模擬示波器顯示屏30上進(jìn)行觀察與測(cè)量。
[0039]具體實(shí)驗(yàn)操作步驟為：
[0040] (1)通過(guò)觀察支架底座水準(zhǔn)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。
[00411 (2)沿支架4移動(dòng)夾具32,使霍爾元件23位于磁鐵三21及磁鐵四22的中間，通過(guò)霍 爾元件工作電流調(diào)節(jié)旋鈕27將霍爾元件23中電流大小調(diào)節(jié)合適，通過(guò)霍爾元件電壓顯示屏 25觀察霍爾元件23兩端的霍爾電壓大小，進(jìn)一步沿支架4移動(dòng)夾具32,仔細(xì)調(diào)整霍爾元件23 的位置，使霍爾電壓為零，此時(shí)霍爾元件23剛好位于磁鐵三21及磁鐵四22的正中間。
[0042] (3)通過(guò)正弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)旋鈕13及正弦信號(hào)電壓幅度顯示屏12,將正弦信 號(hào)源8輸出的正弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)合適。通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)頻率粗調(diào)旋鈕10逐漸增加正 弦信號(hào)源8輸出的正弦信號(hào)的頻率，激振器3將正弦信號(hào)源8輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率 的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊18和金屬框架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(dòng)。當(dāng)正弦信號(hào)的頻率遠(yuǎn)離金屬絲彈簧振子的固有頻 率時(shí)，金屬框架17幾乎不動(dòng)或振動(dòng)非常微弱；當(dāng)正弦信號(hào)的頻率逐漸接近金屬絲彈簧振子 的固有頻率時(shí)，基于共振原理，金屬框架17的振動(dòng)幅度逐漸增大，在金屬框架17帶動(dòng)下，磁 鐵三21及磁鐵四22-起上下振動(dòng)，霍爾元件23所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之周期性變化，從 而使霍爾元件23兩端的霍爾電壓隨之周期性地變化。
[0043] (4)該周期性變化的霍爾電壓經(jīng)霍爾電壓放大裝置28放大后，波形在模擬示波器 29上顯示出來(lái)，在模擬示波器顯示屏30上觀察經(jīng)放大后的霍爾電壓的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦 信號(hào)頻率細(xì)調(diào)旋鈕11，進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)源8輸出的正弦信號(hào)的頻率大小，直到霍爾 電壓波形幅度最大為止，此時(shí)從正弦信號(hào)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。
[0044] (5)用天平測(cè)出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測(cè)出激振器3與下 夾頭16間金屬絲15的長(zhǎng)度L，用千分尺測(cè)出金屬絲15的直徑d，并計(jì)算金屬絲的截面積
[0045] (6)將金屬絲15的長(zhǎng)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。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種依據(jù)共振原理測(cè)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，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，下夾頭與一金屬框架固定在一起，金屬框架內(nèi)部固定一鐵 塊;激振器通過(guò)接口與正弦信號(hào)源相連，正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)電壓幅度及頻率大小 可以通過(guò)旋鈕進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，并可在顯示屏上顯示出來(lái)，激振器將正弦信號(hào)源輸出的正弦 信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(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(dòng)； 規(guī)格完全相同的四塊磁鐵對(duì)稱地設(shè)置在金屬框架側(cè)面，可隨金屬框架上下移動(dòng)，霍爾 傳感器由霍爾元件、兩塊磁鐵及霍爾元件測(cè)量控制器組成，霍爾元件設(shè)置在夾具上，夾具安 裝在支架上，夾具可沿支架移動(dòng)以改變位置，霍爾元件通過(guò)接口與霍爾元件測(cè)量控制器相 連，可通過(guò)霍爾元件工作電流調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)霍爾元件中電流大小，霍爾元件兩端的霍爾電 壓可通過(guò)霍爾元件電壓顯示屏顯示出來(lái)，霍爾元件測(cè)量控制器通過(guò)接口與霍爾電壓放大裝 置相連，霍爾電壓放大裝置通過(guò)接口與模擬示波器相連，模擬示波器可以將通過(guò)霍爾電壓 放大裝置放大后的霍爾電壓的波形顯示出來(lái)，進(jìn)行觀察與測(cè)量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的依據(jù)共振原理測(cè)金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)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(guò)程包括以下步驟： 步驟一、通過(guò)觀察支架底座水準(zhǔn)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(dòng)夾具，使霍爾元件位于磁鐵三及磁鐵四的中間，將霍爾元件中的電 流大小調(diào)節(jié)合適，觀察霍爾元件兩端的霍爾電壓大小，仔細(xì)調(diào)整霍爾元件的位置，使霍爾電 壓為零，此時(shí)霍爾元件剛好位于磁鐵三及磁鐵四的正中間； 步驟三、將正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)電壓幅度調(diào)節(jié)合適，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)頻率粗 調(diào)旋鈕逐漸增加正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)的頻率，激振器將正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào) 轉(zhuǎn)換為同頻率的機(jī)械振動(dòng)，傳給由固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(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(dòng)，當(dāng)正弦信號(hào)的頻率遠(yuǎn)離金屬絲彈簧振子的固 有頻率時(shí)，金屬框架幾乎不動(dòng)或振動(dòng)非常微弱；當(dāng)正弦信號(hào)的頻率逐漸接近金屬絲彈簧振 子的固有頻率時(shí)，基于共振原理，金屬框架的振動(dòng)幅度逐漸增大，在金屬框架帶動(dòng)下，磁鐵 三及磁鐵四一起上下振動(dòng)，霍爾元件所受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之周期性變化，從而使霍爾 元件兩端的霍爾電壓隨之周期性地變化； 步驟四、該周期性變化的霍爾電壓經(jīng)霍爾電壓放大裝置放大后，波形在模擬示波器上 顯示出來(lái)，在模擬示波器顯示屏上觀察經(jīng)放大后的霍爾電壓的波形，通過(guò)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)頻 率細(xì)調(diào)旋鈕，進(jìn)一步仔細(xì)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)的頻率大小，直到霍爾電壓波形 幅度最大為止，此時(shí)從正弦信號(hào)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(cè)出金屬絲彈簧振子下端所系物體的質(zhì)量m，用米尺測(cè)出激振器與下夾 頭間金屬絲的長(zhǎng)度L，用千分尺測(cè)出金屬絲的直徑d，并計(jì)算金屬絲的步驟六、將金屬絲的長(zhǎng)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(hào)】G01N3/32GK106053265SQ201610323470
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】田凱, 李慧, 高景霞, 劉申曉, 張顯恒
【申請(qǐng)人】田凱