一种采用简谐振动测金属丝杨氏模量的实验装置及方法制造方法及图纸

一种采用简谐振动测金属丝杨氏模量的实验装置及方法，涉及一种杨氏模量测量装置及方法，本发明专利技术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且抽象，望远镜调节难度比较大的问题。本发明专利技术装置包括在支架上端设置横梁，横梁中间设置上夹头及力敏传感器，金属丝两端分别与力敏传感器及下夹头相连，下夹头与一内部固定铁块的金属框架固定在一起，测量装置由四只磁敏电阻构成的差动电桥、可调交流电压源、电压放大装置及数字示波器等构成；本发明专利技术方法通过数字示波器测周期性变化的电桥输出电压波形的周期，得到金属丝弹簧振子做简谐振动的周期，代入公式计算出金属丝杨氏模量。本发明专利技术适用于金属丝杨氏模量的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种采用简谐振动测金属丝杨氏模量的实验装置及方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提出一种采用简谐振动测金属丝杨氏模量的实验装置及方法，本专利技术实验原理简单易懂，所述实验装置将金属丝弹簧振子做简谐振动的周期T，通过磁敏电阻转换为周期性变化的电桥输出电压的周期T，经放大装置放大后，波形在数字示波器上显示出来，观察电桥输出电压的波形，测出其周期T，实验现象直观，观察与测量比较方便。采用电磁铁装置使铁块及金属丝构成的金属丝弹簧振子做简谐振动，操作方便。通过力敏传感器测量金属丝所受拉力大小，并通过力敏传感器测量显示屏显示出来，可方便监控金属丝所受拉力，避免超过弹性限度；通过测金属丝弹簧振子下端所系的物体所受到的重力，进而得到其质量m，准确方便。本专利技术解决其技术问题的采用简谐振动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，横梁中间设置上夹头及力敏传感器，金属丝一端与上夹头及力敏传感器相连，另一端与下夹头相连，下夹头与一金属框架固定在一起，金属框架内部固定一铁块，金属框架下方设置电磁铁装置。力敏传感器通过接口与力敏传感器测量控制器相连，力敏传感器用来测量金属丝所受拉力大小，并可通过力敏传感器测量显示屏显示出来。电磁铁装置用来通过磁力作用于铁块给金属丝施加拉力，然后释放，从而使固定在一起的铁块和金属框架在金属丝作用下做简谐振动，并可通过电磁铁装置工作电流调节旋钮调节拉力大小。两块规格完全相同的磁铁分别设置在金属框架两侧面，可随金属框架上下移动，四只规格完全相同的磁敏电阻分别设置在四个夹具上，夹具安装在支架上，夹具可沿支架移动以改变位置。由四只磁敏电阻分别作为电桥的四个桥臂，构成一个差动电桥，由可调交流电压源给电桥提供电源，可调交流电压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调节，并可在可调交流电压源显示屏上显示出来。电桥的输出端连接运算放大器一，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻及可调输入电阻的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，运算放大器二通过接口与数字示波器相连，数字示波器可以将放大后的电桥输出电压的波形显示出来，进行观察与测量。本专利技术所述的采用简谐振动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、通过观察支架底座水准仪，调整支架底座上的支架底座调平螺丝，使支架底座水平；步骤二、沿支架移动夹具，使磁铁一位于磁敏电阻一与磁敏电阻二中间，使磁铁二位于磁敏电阻三及磁敏电阻四中间，通过可调交流电压源电压调节旋钮及频率调节旋钮进行调节，将可调交流电压源输出的正弦信号电压幅度及频率调节合适，通过改变可调反馈电阻及可调输入电阻的大小将运算放大器一的电压放大倍数调节合适，通过数字示波器将放大后的电桥输出电压的波形显示出来，通过数字示波器显示屏观察放大后的电桥输出电压的波形，进一步沿支架移动夹具，仔细调整磁敏电阻一、磁敏电阻二、磁敏电阻三及磁敏电阻四的位置，使电桥输出电压为零，此时磁铁一位于磁敏电阻一与磁敏电阻二的正中间，磁铁二位于磁敏电阻三及磁敏电阻四的正中间；步骤三、使电磁铁装置工作，通过磁力作用于铁块给金属丝施加拉力，通过调节电磁铁装置工作电流，使拉力大小合适，然后使电磁铁装置停止工作，从而使固定在一起的铁块和金属框架与金属丝构成的金属丝弹簧振子开始做简谐振动，在铁块和金属框架带动下，磁铁一及磁铁二一起上下做简谐振动，因此磁敏电阻一、磁敏电阻二、磁敏电阻三及磁敏电阻四所受到的磁感应强度也随之周期性变化，四只磁敏电阻的阻值随之周期性变化，从而使电桥输出电压随之周期性地变化；步骤四、该周期性变化的电桥输出电压经运算放大器一放大后，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，波形在数字示波器上显示出来，在数字示波器显示屏上观察放大后的电桥输出电压的波形，测出其周期T，即固定在一起的铁块和金属框架与金属丝构成的金属丝弹簧振子做简谐振动的周期T；步骤五、使金属丝弹簧振子停止振动，待稳定以后，通过力敏传感器测量金属丝所受拉力大小，并通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用简谐振动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，横梁中间设置上夹头及力敏传感器，金属丝一端与上夹头及力敏传感器相连，另一端与下夹头相连，下夹头与一金属框架固定在一起，金属框架内部固定一铁块，金属框架下方设置电磁铁装置；力敏传感器通过接口与力敏传感器测量控制器相连，力敏传感器用来测量金属丝所受拉力大小，并可通过力敏传感器测量显示屏显示出来；电磁铁装置用来通过磁力作用于铁块给金属丝施加拉力，然后释放，从而使固定在一起的铁块和金属框架在金属丝作用下做简谐振动，并可通过电磁铁装置工作电流调节旋钮调节拉力大小；两块规格完全相同的磁铁分别设置在金属框架两侧面，可随金属框架上下移动，四只规格完全相同的磁敏电阻分别设置在四个夹具上，夹具安装在支架上，夹具可沿支架移动以改变位置；由四只磁敏电阻分别作为电桥的四个桥臂，构成一个差动电桥，由可调交流电压源给电桥提供电源，可调交流电压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调节，并可在可调交流电压源显示屏上显示出来；电桥的输出端连接运算放大器一，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻及可调输入电阻的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，运算放大器二通过接口与数字示波器相连，数字示波器可以将放大后的电桥输出电压的波形显示出来，进行观察与测量。...

【技术特征摘要】
1.一种采用简谐振动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，横梁中间设置上夹头及力敏传感器，金属丝一端与上夹头及力敏传感器相连，另一端与下夹头相连，下夹头与一金属框架固定在一起，金属框架内部固定一铁块，金属框架下方设置电磁铁装置；力敏传感器通过接口与力敏传感器测量控制器相连，力敏传感器用来测量金属丝所受拉力大小，并可通过力敏传感器测量显示屏显示出来；电磁铁装置用来通过磁力作用于铁块给金属丝施加拉力，然后释放，从而使固定在一起的铁块和金属框架在金属丝作用下做简谐振动，并可通过电磁铁装置工作电流调节旋钮调节拉力大小；两块规格完全相同的磁铁分别设置在金属框架两侧面，可随金属框架上下移动，四只规格完全相同的磁敏电阻分别设置在四个夹具上，夹具安装在支架上，夹具可沿支架移动以改变位置；由四只磁敏电阻分别作为电桥的四个桥臂，构成一个差动电桥，由可调交流电压源给电桥提供电源，可调交流电压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调节，并可在可调交流电压源显示屏上显示出来；电桥的输出端连接运算放大器一，作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可以通过改变可调反馈电阻及可调输入电阻的大小进行调节，将电桥的输出电压放大，再经作为输出缓冲器的运算放大器二输出，运算放大器二通过接口与数字示波器相连，数字示波器可以将放大后的电桥输出电压的波形显示出来，进行观察与测量。2.根据权利要求1所述的采用简谐振动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、通过观察支架底座水准仪，调整支架底座上的支架底座调平螺丝，使支架底座水平；步骤二、沿支架移动夹具，使磁铁一位于磁敏电阻一与磁敏电阻二中间，使磁铁二位于磁敏电阻三及磁敏电阻四中间，通过可调交流电压源电压调节旋钮及频...

【专利技术属性】
技术研发人员：田凯，张金平，董雪峰，王二萍，张洋洋，
申请(专利权)人：田凯，
类型：发明
国别省市：河南;41