[发明专利]一种根据共振原理测金属丝杨氏模量的实验装置及方法

权利要求书

1.一种根据共振原理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激振器， 金属丝一端与上夹头及激振器相连，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；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，使金属丝弹簧振子做纵向受迫振动；两块规格完全相同的活动极板分别 设置在金属框架两侧面，可随金属框架上下移动，四块规格完全相同的固定极 板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；

四块规格完全相同的固定极板与两块规格完全相同的活动极板构成四只电 容器，由此四只电容器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模拟示波 器相连，模拟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所述的根据共振原理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，使活动极板一位于固定极板一与固定极板二中 间，活动极板二位于固定极板三与固定极板四中间，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，通过模拟示波器将放大后的电桥输出电压的波 形显示出来，通过模拟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，仔细调整固定极板一、固定极板二、固定极板三及固定极 板四的位置，使电桥输出电压为零，此时活动极板一位于固定极板一与固定极 板二的正中间，活动极板二位于固定极板三与固定极板四的正中间；

步骤三、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，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，金属框架几乎不动或振 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，金属框架的振动幅度逐渐增大，在金属框架带动下，活动极板一及 活动极板二一起上下振动，因此固定极板一与活动极板一构成的电容器一，固 定极板二与活动极板一构成的电容器二，固定极板三与活动极板二构成的电容 器三，固定极板四与活动极板二构成的电容器四的电容值随之发生周期性的变 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，波形在模拟示波器上显示出来，在模拟示波 器显示屏上观察放大后的电桥输出电压的波形，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，直到电桥输出电 压的波形幅度最大为止，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；

步骤五、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

步骤六、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。