一種采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法
【專利摘要】一種采用簡諧振動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比較單一且抽象，望遠鏡調(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置橫梁，橫梁中間設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，下夾頭與一內(nèi)部固定鐵塊的金屬框架固定在一起，測量裝置由四只磁敏電阻構(gòu)成的差動電橋、可調(diào)交流電壓源、電壓放大裝置及數(shù)字示波器等構(gòu)成；本發(fā)明方法通過數(shù)字示波器測周期性變化的電橋輸出電壓波形的周期，得到金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期，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】
一種采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的實驗裝置及方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種大學物理實驗裝置，具體是涉及一種采用簡諧振動測金屬絲楊氏 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 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采 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，設備也比較復雜，實驗難度大，因此目前大學物理實驗中常采用 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] 其三，一般采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)明提出一種采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量 的實驗裝置及方法，本發(fā)明實驗原理簡單易懂，所述實驗裝置將金屬絲彈簧振子做簡諧振 動的周期T，通過磁敏電阻轉(zhuǎn)換為周期性變化的電橋輸出電壓的周期T，經(jīng)放大裝置放大后， 波形在數(shù)字示波器上顯示出來，觀察電橋輸出電壓的波形，測出其周期T，實驗現(xiàn)象直觀，觀 察與測量比較方便。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。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，進而得到其質(zhì)量m，準確方便。
[0009] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題的采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的實驗裝置是:包括在 支架底座上設置支架，支架上端設置橫梁，橫梁中間設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，金屬框架下方設置電磁鐵裝置。力敏傳感器通過接口與力敏傳感器 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 固定在一起的鐵塊和金屬框架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。兩塊規(guī)格完全相同的磁鐵分別設置在金屬框架兩側(cè)面，可隨金屬 框架上下移動，四只規(guī)格完全相同的磁敏電阻分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架上， 夾具可沿支架移動以改變位置。由四只磁敏電阻分別作為電橋的四個橋臂，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數(shù)字示波器相連，數(shù)字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)明所述的采用簡諧振動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，使磁鐵一位于磁敏電阻一與磁敏電阻二中間，使磁鐵二 位于磁敏電阻三及磁敏電阻四中間，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，通過數(shù)字示波器將 放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，通過數(shù)字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)整磁敏電阻一、磁敏電阻二、磁敏電阻三及磁敏 電阻四的位置，使電橋輸出電壓為零，此時磁鐵一位于磁敏電阻一與磁敏電阻二的正中間， 磁鐵二位于磁敏電阻三及磁敏電阻四的正中間；
[0013] 步驟三、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開始做簡諧振動，在鐵塊和金屬框架帶動 下，磁鐵一及磁鐵二一起上下做簡諧振動，因此磁敏電阻一、磁敏電阻二、磁敏電阻三及磁 敏電阻四所受到的磁感應強度也隨之周期性變化，四只磁敏電阻的阻值隨之周期性變化， 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，波形在數(shù)字示波器上顯示出來，在數(shù)字示波器顯示屏上觀察放 大后的電橋輸出電壓的波形，測出其周期T，即固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(gòu)成 的金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T;
[0015] 步驟五、使金屬絲彈簧振子停止振動，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，進而可以得到其質(zhì)量m;
[0016] 步驟六、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，并計算其截面積，
[0017] 步驟七、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。
[0018] 采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的理論基礎：
[0019] 設一金屬絲長為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 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

[0023]根據(jù)(2)式，可以將該金屬絲看成一根彈性系數(shù) ?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

[0025]將金屬絲彈簧的彈性系數(shù) 代入(3)式，可得該金屬絲彈簧振子做簡諧振動 時的周期為
[0027]根據(jù)(4)式，可求出金屬絲的楊氏模量Y，即
[0029] 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的周期T，就可以代入公式求出金屬絲的楊氏 模量Y。
[0030] 本發(fā)明的有益效果是：
[0031] 其一，本發(fā)明提出一種新的采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的方法，該方法與通 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，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。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。
[0032] 其二，本發(fā)明提出的采用簡諧振動測金屬絲楊氏模量的實驗裝置也不復雜，在現(xiàn) 有實驗裝置的基礎上稍加改進即可，比較容易實現(xiàn)。
[0033] 其三，本發(fā)明提出的實驗裝置將金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T，通過磁敏電 阻轉(zhuǎn)換為周期性變化的電橋輸出電壓的周期T，經(jīng)放大裝置放大后，波形在數(shù)字示波器上顯 示出來，觀察電橋輸出電壓的波形，測出其周期T，實驗現(xiàn)象直觀，觀察與測量比較方便。
[0034] 其四，本發(fā)明提出的實驗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。
[0035]其五，本發(fā)明提出的實驗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，進而得到其質(zhì)量m，準確方便。
【附圖說明】
[0036]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0037]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一。
[0038]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖二。
[0039]圖中1.橫梁，2.上夾頭，3.力敏傳感器，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 ?力敏傳感器測量控制器，9 ?力敏傳感器測量顯示屏，10 ?力敏傳感器 調(diào)零旋鈕，11.力敏傳感器測量啟動按鍵，12.金屬絲，13.下夾頭，14.金屬框架，15 .鐵塊， 16.電磁鐵裝置，17.電磁鐵裝置工作電流調(diào)節(jié)旋鈕，18.電磁鐵裝置開關(guān)按鍵，19.磁敏電阻 一，20.磁敏電阻二，21.磁敏電阻三，22.磁敏電阻四，23 .磁鐵一，24.磁鐵二，25.可調(diào)交流 電壓源，26.可調(diào)交流電壓源顯示屏，27.可調(diào)交流電壓源電壓調(diào)節(jié)旋鈕，28.可調(diào)交流電壓 源頻率調(diào)節(jié)旋鈕，29.可調(diào)交流電壓源功能切換按鍵，30.可調(diào)反饋電阻，31.運算放大器一， 32.可調(diào)輸入電阻，33.運算放大器二，34.數(shù)字示波器，35.數(shù)字示波器顯示屏，36.數(shù)字示波 器開關(guān)按鍵。
【具體實施方式】
[0040] 圖中，在支架底座7上設置支架4，支架4上端設置橫梁1，橫梁1中間設置上夾頭2及 力敏傳感器3,金屬絲12-端與上夾頭2及力敏傳感器3相連，另一端與下夾頭13相連，下夾 頭13與一金屬框架14固定在一起，金屬框架14內(nèi)部固定一鐵塊15,金屬框架14下方設置電 磁鐵裝置16。力敏傳感器3通過接口與力敏傳感器測量控制器8相連，力敏傳感器3用來測量 金屬絲12所受拉力大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏9顯示出來。電磁鐵裝置16用來通 過磁力作用于鐵塊15給金屬絲12施加拉力，然后釋放，從而使固定在一起的鐵塊15和金屬 框架14在金屬絲12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17調(diào)節(jié)拉力 大小。兩塊規(guī)格完全相同的磁鐵即磁鐵一 23及磁鐵二24分別設置在金屬框架14兩側(cè)面，可 隨金屬框架14上下移動，四只規(guī)格完全相同的磁敏電阻即磁敏電阻一 19、磁敏電阻二20、磁 敏電阻三21及磁敏電阻四22分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架4上，夾具可沿支架4 移動以改變位置。由四只磁敏電阻即磁敏電阻一 19、磁敏電阻二20、磁敏電阻三21及磁敏電 阻四22分別作為電橋的四個橋臂，構(gòu)成一個差動電橋，由可調(diào)交流電壓源25給電橋提供電 源，可調(diào)交流電壓源25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27及可調(diào)交流電壓源頻率調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)28進行調(diào)節(jié)，并可在可調(diào)交流電 壓源顯示屏26上顯示出來。電橋的輸出端連接運算放大器一 31，運算放大器一 31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30及可調(diào)輸入電阻32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二33輸出，運算放大器 二33通過接口與數(shù)字示波器34相連，數(shù)字示波器34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。
[0041] 具體實驗操作步驟為：
[0042] (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。
[0043] (2)沿支架4移動夾具，使磁鐵一23位于磁敏電阻一 19與磁敏電阻二20中間，使磁 鐵二24位于磁敏電阻三21及磁敏電阻四22中間，通過可調(diào)交流電壓源功能切換按鍵29,在 可調(diào)交流電壓源顯示屏26上分別顯示可調(diào)交流電壓源25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27及可調(diào)交流電壓源頻率調(diào)節(jié)旋鈕28進行調(diào)節(jié)， 將可調(diào)交流電壓源25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30 及可調(diào)輸入電阻32的大小將運算放大器一 31的電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)合適，通過數(shù)字示波器34 將放大后的電橋輸出電壓的波形顯示出來。通過數(shù)字示波器顯示屏35觀察放大后的電橋輸 出電壓的波形，進一步沿支架4移動夾具，仔細調(diào)整磁敏電阻一 19、磁敏電阻二20、磁敏電阻 三21及磁敏電阻四22的位置，使電橋輸出電壓為零，此時磁鐵一 23位于磁敏電阻一 19與磁 敏電阻二20的正中間，磁鐵二24位于磁敏電阻三21及磁敏電阻四22的正中間。
[0044] (3)通過電磁鐵裝置開關(guān)按鍵18使電磁鐵裝置16工作，通過磁力作用于鐵塊15給 金屬絲12施加拉力，并通過力敏傳感器測量顯示屏9觀察金屬絲12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17調(diào)節(jié)電磁鐵裝置16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18使電磁鐵裝置16停止工作，從而使固定在一起的鐵塊15和金屬框 架14與金屬絲12構(gòu)成的金屬絲彈簧振子開始做簡諧振動，在鐵塊15和金屬框架14帶動下， 磁鐵一 23及磁鐵二24-起上下做簡諧振動，因此磁敏電阻一 19、磁敏電阻二20、磁敏電阻三 21及磁敏電阻四22所受到的磁感應強度也隨之周期性變化，四只磁敏電阻的阻值隨之周期 性變化，從而使電橋輸出電壓隨之周期性地變化。
[0045] (4)該周期性變化的電橋輸出電壓經(jīng)運算放大器一31放大后，再經(jīng)作為輸出緩沖 器的運算放大器二33輸出，波形在數(shù)字示波器34上顯示出來，在數(shù)字示波器顯示屏35上觀 察放大后的電橋輸出電壓的波形，測出其周期T，即固定在一起的鐵塊15和金屬框架14與金 屬絲12構(gòu)成的金屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T。
[0046] (5)使金屬絲彈簧振子停止振動，待穩(wěn)定以后，通過力敏傳感器3測量金屬絲12所 受拉力大小，并通過力敏傳感器測量顯示屏9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，進而可以得到其質(zhì)量m。
[0047] (6)用米尺測出力敏傳感器3與下夾頭13間金屬絲12的長度L，用千分尺測出金屬 絲12的直徑d，并計算其截面積
[0048] (7)將金屬絲12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。
[0049] 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. 一種采用簡諧振動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 上設置支架，支架上端設置橫梁，橫梁中間設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，金屬框架下方設置電磁鐵裝置;力敏傳感器通過接口與力敏傳感器測量控制 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，從而使固定在一 起的鐵塊和金屬框架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;兩塊規(guī)格完全相同的磁鐵分別設置在金屬框架兩側(cè)面，可隨金屬框架上下 移動，四只規(guī)格完全相同的磁敏電阻分別設置在四個夾具上，夾具安裝在支架上，夾具可沿 支架移動以改變位置； 由四只磁敏電阻分別作為電橋的四個橋臂，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 接口與數(shù)字示波器相連，數(shù)字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所述的采用簡諧振動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，使磁鐵一位于磁敏電阻一與磁敏電阻二中間，使磁鐵二位于 磁敏電阻三及磁敏電阻四中間，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，通過數(shù)字示波器將放大 后的電橋輸出電壓的波形顯示出來，通過數(shù)字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)整磁敏電阻一、磁敏電阻二、磁敏電阻三及磁敏電阻 四的位置，使電橋輸出電壓為零，此時磁鐵一位于磁敏電阻一與磁敏電阻二的正中間，磁鐵 二位于磁敏電阻三及磁敏電阻四的正中間； 步驟三、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開始做簡諧振動，在鐵塊和金屬框架帶動下，磁 鐵一及磁鐵二一起上下做簡諧振動，因此磁敏電阻一、磁敏電阻二、磁敏電阻三及磁敏電阻 四所受到的磁感應強度也隨之周期性變化，四只磁敏電阻的阻值隨之周期性變化，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，波形在數(shù)字示波器上顯示出來，在數(shù)字示波器顯示屏上觀察放大后 的電橋輸出電壓的波形，測出其周期T，即固定在一起的鐵塊和金屬框架與金屬絲構(gòu)成的金 屬絲彈簧振子做簡諧振動的周期T; 步驟五、使金屬絲彈簧振子停止振動，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，進而可以得到其質(zhì)量m; 步驟六、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，并計算其截面積步驟七、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。
【文檔編號】G09B23/10GK106053267SQ201610323087
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月7日
【發(fā)明人】田凱, 張金平, 董雪峰, 王二萍, 張洋洋
【申請人】田凱