基于共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置及方法制造方法及图纸

基于共振原理的梁弯曲法测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梁弯曲法测杨氏模量的实验原理单一抽象，望远镜调节难度大的问题。本发明专利技术装置包括在基座上设置两个立柱，矩形截面金属梁两端自由地跨置在立柱上端的刀口上，金属梁上套一个铜框架，下端设置激振器及铁块，激振器与信号源相连，标尺上设置激光器；本发明专利技术方法利用激振器将正弦信号转换为机械振动，使金属梁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梁弹簧振子的固有频率，计算出杨氏模量。本发明专利技术适用于杨氏模量的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一项大学物理实验，具体是涉及一种基于共振原理的梁弯曲法测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梁弯曲法，根据光杠杆放大原理来测定金属材料的杨氏模量。光杠杆放大原理已被广泛应用在测量技术中，如冲击电流计和光点检流计测量小角度的变化。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材料的杨氏模量。目前大学物理实验中梁弯曲法测金属材料杨氏模量的实验装置主要存在以下不足：其一，通常采用静态拉伸法测金属材料杨氏模量，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矩形截面金属梁中点下弯的垂度，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梁施加拉力，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。
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基于共振原理的梁弯曲法测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，传给由铜框架、铁块、平台一及矩形截面金属梁构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动，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，也就是金属梁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。本专利技术解决其技术问题所采用的基于共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置是：在基座上设置两个立柱，在两个立柱上端各固定一个钢制刀口，两刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金属梁两端自由地跨置在两个立柱上端的刀口上，在矩形截面金属梁上套一个铜框架，铜框架与矩形截面金属梁接触处也是一个刀口，并且铜框架刀口恰好位于两个立柱上端的刀口正中间，在铜框架下端设置激振器，激振器通过连接装置与铁块相连，在铜框架上端设置平台一。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，传给由铜框架、铁块、平台一及矩形截面金属梁构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动。在基座上设置一支架，在支架上端设置平台二，光杠杆放在平台二上，光杠杆的平面镜用透明树脂材料制成，二前足在平台二的横槽内，后足放在平台一上。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。本专利技术所述的基于共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置测金属材料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、调整基座与标尺底座，使二者之间的距离大于1米；通过观察基座水准仪，调整基座上的基座调平螺丝，使矩形截面金属梁水平；通过观察标尺底座水准仪，调整标尺底座上的标尺底座调平螺丝，使标尺达到竖直状态；通过标尺照明器控制器上的亮度调节旋钮调节标尺照明器的亮度，使标尺亮度合适；步骤二、将光杠杆放在平台二上，二前足在平台二的横槽内，后足放在平台一上，使光杠杆的平面镜与平台二垂直；步骤三、通过激光器工作电流调节旋钮调节激光器的工作电流合适，左右移动标尺底座，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、通过正弦信号电压幅度调节旋钮及正弦信号电压幅度显示屏，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，传给由铜框架、铁块、平台一及矩形截面金属梁构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动，当正弦信号的频率远离金属梁弹簧振子的固有频率时，铜框架、铁块、平台一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梁弹簧振子的固有频率时，基于共振原理，铜框架、铁块、平台一的振动幅度逐渐增大，在铜框架、铁块、平台一带动下，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括在基座上设置两个立柱，在两个立柱上端各固定一个钢制刀口，两刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金属梁两端自由地跨置在两个立柱上端的刀口上，在矩形截面金属梁上套一个铜框架，铜框架与矩形截面金属梁接触处也是一个刀口，并且铜框架刀口恰好位于两个立柱上端的刀口正中间，在铜框架下端设置激振器，激振器通过连接装置与铁块相连，在铜框架上端设置平台一；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，传给由铜框架、铁块、平台一及矩形截面金属梁构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动；在基座上设置一支架，在支架上端设置平台二，光杠杆放在平台二上，二前足在平台二的横槽内，后足放在平台一上；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。...

【技术特征摘要】
1.基于共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置，其特征在于，它包括在基座上设置两个立柱，在两个立柱上端各固定一个钢制刀口，两刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金属梁两端自由地跨置在两个立柱上端的刀口上，在矩形截面金属梁上套一个铜框架，铜框架与矩形截面金属梁接触处也是一个刀口，并且铜框架刀口恰好位于两个立柱上端的刀口正中间，在铜框架下端设置激振器，激振器通过连接装置与铁块相连，在铜框架上端设置平台一；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，传给由铜框架、铁块、平台一及矩形截面金属梁构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动；在基座上设置一支架，在支架上端设置平台二，光杠杆放在平台二上，二前足在平台二的横槽内，后足放在平台一上；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梁弯曲法测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梁弯曲法测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梁弯曲法测杨氏模量的实验装置测金属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、调整基座与标尺底座，使二者之间的距离大于1米，通过观察基座水准仪，调整基座上的基座调平螺丝，使矩形截面金属梁水平，通过观察标尺底座水准仪，调整标尺底座上的标尺底座调平螺丝，使标尺达到竖直状态，通过标尺照明器控制器上的亮度调节旋钮调节标尺照明器的亮度，使...

【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