[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种根据共振原理测金属 丝杨氏模量的实验装置及方法。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提出一种根据共振原理测金属丝杨 氏模量的实验装置及方法，本发明实验原理简单易懂，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，该振动通过电容值的变化转换为周期性变化的电桥输出电压，在模 拟示波器上观察经放大后的电桥输出电压的波形，通过调节正弦信号的频率， 直到电桥输出电压的波形幅度最大为止，此时正弦信号的频率就是共振频率， 也就是金属丝弹簧振子的固有频率，实验现象直观，观察与测量比较方便。