根据共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置及方法
【专利摘要】根据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，本发明为解决目前梁弯曲法测杨氏模量实验原理单一抽象，望远镜调节难度大的问题。本发明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，金属梁上套一铜框架，下端设置激振器及金属框架，激振器与信号源相连，测量装置由可变电容构成的差动电桥、交流电压源、放大装置及示波器构成；本发明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，由可变电容构成的电桥转换为电信号，调节信号频率，当波形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。本发明适用于杨氏模量的测量。
【专利说明】
根据共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置及方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种大学物理实验装置，具体是设及一种根据共振原理的梁弯曲法测 杨氏模量的实验装置及方法。 【背景技术】
[0002] 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，W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，W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A L。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A L/L是物体的相对伸长，称为胁变，它亲示物化形巧的大小。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。
[0003] 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W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。运种方法荷载大，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，在不同溫度条件下测量也不方便。20世纪 80年代，有人用激光全息干设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，W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禪合弯曲共振法作为国家技术标准推荐执行。运种方法能够在 较大的高低溫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W用波速测量法，利用连续波或者脉冲波来测量杨氏模量。
[0004] 虽然动力学杨氏模量测量方法即悬丝禪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，比如电满流传感器法、迈克尔逊干设仪法、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W下不足：
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 其=，一般采用破码给金属梁施加拉力，用破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】
[0008] 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的梁弯曲法测杨氏 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，传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属框架、 铁块构成的金属梁弹黃振子，使金属梁弹黃振子做受迫振动，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，也就是金属梁弹黃振子的固有频率，实验现象直观，观察与测量比较方便。
[0009] 本发明解决其技术问题的根据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一金属框架相连，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W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，传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属 框架、铁块构成的金属梁弹黃振子，使金属梁弹黃振子做受迫振动。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，夹具安装在立柱上，夹具可沿立柱移动W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W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W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W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。
[0010] 本发明所述的根据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W下步骤：
[0011] 步骤一、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；
[0012] 步骤二、沿立柱移动夹具，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=与固定极板四中间，通过可调交流电压源功能切换按键，在可调交 流电压源显示屏上分别显示可调交流电压源输出的正弦信号电压幅度及频率大小，通过可 调交流电压源电压调节旋钮及可调交流电压源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，进一步沿立柱移 动夹具，仔细调整固定极板一、固定极板二、固定极板=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S与固定极板四的正中间；
[0013] 步骤S、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，传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属框架、铁块构成的金属梁弹黃振子，使金属梁弹 黃振子做受迫振动，当正弦信号的频率远离金属梁弹黃振子的固有频率时，铜框架、金属框 架、铁块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黃振子的固有频 率时，基于共振原理，铜框架、金属框架、铁块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做简谐振动，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=与活动极板二构成的电容器=， 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；
[0014] 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，也就是金属梁弹黃振子的固有频率f;
[0015] 步骤五、待金属梁弹黃振子停止振动，测出铜框架、金属框架、铁块及活动极板的 总质量m，即金属梁弹黃振子金属梁中点悬挂物体的质量m;
[0016] 步骤六、用米尺测出矩形截面金属梁的有效长度，也就是安放此梁的两个立柱上 端的两刀口中间的距离1，用游标卡尺测出矩形截面金属梁矩形截面的宽度b和高度d;
[0017] 步骤屯、将矩形截面金属梁的长度L窗底h-鳥底d，金属梁中点悬挂物体的质量m， W及金属梁弹黃振子的固有频率f代入公;，即可求出金属梁材料的杨氏模 量Y。
[0018] 根据共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的理论基础：
[0019] 设一长度为1、宽度为b、高度为d的矩形截面金属梁，当其两端自由地跨置在一对 平行的水平刀口上，中点受到向下的拉力F作用时，梁将向下弯曲，设梁中点下弯的垂度为 h，设金属梁材料的杨氏模量为Y，若不计梁的重量，而且弯曲在弹性限度内，当h<<l时，有
[0020]
(1)
[0021]将（1)式变为
[0022] (2)
[0023] 根据(2)式，可W将该矩形截面金属梁看成一根弹性系I
的弹黃。在该
矩形截面金属梁中点处悬挂一质量为m的物体，则金属梁弹黃与该物体构成一金属梁弹黃 振子，给该系统施加一定拉力，然后释放，则物体将在竖直方向上做简谐振动，其周期可由 弹黃振早的駐酣//^^5^求1中，即
[0024] (3)
[0025] 梁弹黃振子的固有频率为
[0026] (4)
[0027] 弹性系I
代入(4)式，可得
[0028] (5)
[0029] 出金属丝的杨氏模量Y，即
[0030] (6)
[0031] 将外加振动源作用于金属梁弹黃振子，使金属梁弹黃振子做受迫振动。当外加振 动源的频率不等于金属梁弹黃振子的固有频率时，金属梁弹黃振子几乎不振动或振动幅度 很小；当外加振动源的频率等于金属梁弹黃振子的固有频率时，基于共振原理，金属梁弹黃 振子的振动幅度将突然增大。测出此时外加振动源的频率f，即金属梁弹黃振子的固有频率 f。测出矩形截面金属梁的长度1、宽度b、高度d，金属梁弹黃振子金属梁中点悬挂物体的质 量m，就可W根据公式(6 )，求出金属梁材料的杨氏模量Y。
[0032] 本发明的有益效果是：
[0033] 其一，本发明提出一种新的根据共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的方法，该方法 与大学物理实验课中通常采用的梁弯曲法测金属材料杨氏模量的方法存在着本质不同，而 且该方法所依据的实验原理很简单，就是常见的弹黃振子模型及共振原理，高中物理课中 就已经设及到相关公式，大学物理课中也有详细的分析，简单易懂。因此如果将该发明引入 到大学物理实验课中，非常有助于丰富大学物理实验内容，开阔学生的思路，培养学生的创 新精神，增强学生灵活运用知识解决问题的能力。
[0034] 其二，本发明提出的根据共振原理的梁弯曲法测杨氏模量的实验装置也不复杂， 在现有实验装置的基础上稍加改进即可，比较容易实现。
[0035] 其=，本发明提出的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，传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属框架、铁块构成的金属梁弹黃振 子，使金属梁弹黃振子做受迫振动，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 梁弹黃振子的固有频率，实验现象直观，观察与测量比较方便。
【附图说明】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0037] 图1是本发明的结构示意图一。
[0038] 图2是本发明的结构示意图二。
[0039] 图中1.基座，2.基座水准仪，3.基座调平螺丝，4.立柱，5.立柱刀口，6.矩形截面金 属梁，7.铜框架，8.铜框架刀口，9.激振器，10.金属框架，11.正弦信号源，12.正弦信号频率 显示屏，13.正弦信号频率粗调旋钮，14.正弦信号频率细调旋钮，15.正弦信号电压幅度显 示屏，16.正弦信号电压幅度调节旋钮，17.激振器与正弦信号源之间的接口，18.铁块，19. 固定极板一，20.固定极板二，21.固定极板=，22.固定极板四，23.活动极板一，24.活动极 板二，25.电容器一，26.电容器二，27.电容器S，28.电容器四，29.可调交流电压源，30.可 调交流电压源显示屏，31.可调交流电压源电压调节旋钮，32.可调交流电压源频率调节旋 钮，33.可调交流电压源功能切换按键，34.可调反馈电阻，35 .运算放大器一，36.可调输入 电阻，37.运算放大器二，38.模拟示波器，39.模拟示波器显示屏，40.模拟示波器开关按键。
【具体实施方式】
[0040] 图中，在基座1上设置两个立柱4,在两个立柱4上端各固定一个钢制刀口，即立柱 刀口5，两刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金属梁6两端自由地跨置在两个立柱4上端的刀 口上，在矩形截面金属梁6上套一个铜框架7，铜框架7与矩形截面金属梁6接触处也是一个 刀口，即铜框架刀口8,并且铜框架刀口8恰好位于两个立柱上端的刀口正中间，在铜框架7 下端设置设置激振器9,激振器9通过连接装置与一金属框架10相连，金属框架10内部固定 一铁块18。激振器9通过激振器与正弦信号源之间的接口 17与正弦信号源11相连，正弦信号 源11输出的正弦信号电压幅度可W通过正弦信号电压幅度调节旋钮16进行连续调节，并可 在正弦信号电压幅度显示屏15上显示出来;正弦信号频率大小可W通过正弦信号频率粗调 旋钮13及正弦信号频率细调旋钮14进行连续调节，并可在正弦信号频率显示屏12上显示出 来。激振器則尋正弦信号源11输出的正弦信号转换为同频率的机械振动，传给由矩形截面金 属梁6与铜框架7、金属框架10、铁块18构成的金属梁弹黃振子，使金属梁弹黃振子做受迫振 动。两块规格完全相同的活动极板即活动极板一 23及活动极板二24分别设置在金属框架10 两侧面，可随金属框架10上下移动，四块规格完全相同的固定极板即固定极板一 19、固定极 板二20、固定极板=21及固定极板四22分别设置在四个夹具上，夹具安装在立柱4上，夹具 可沿立柱4移动W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，分别是固定极板一 19与活动极板一23构成的电容器一25,固定极板二 20与活动极板一23构成的电容器二26,固定极板=21与活动极板二24构成的电容器= 27， 固定极板四22与活动极板二24构成的电容器四28,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29给电桥提供正弦信号，可调交流电压源29输出 的正弦信号电压幅度及频率大小可W分别通过可调交流电压源电压调节旋钮31及可调交 流电压源频率调节旋钮32进行调节，并可在可调交流电压源显示屏30上显示出来。电桥的 输出端连接运算放大器一 35,运算放大器一 35作为一个反向电压放大器，电压放大倍数可 W通过改变可调反馈电阻34及可调输入电阻36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二37输出，运算放大器二37通过接口与模拟示波器38相 连，模拟示波器38可W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。
[0041] 具体实验操作步骤为：
[0042] (1)通过观察基座水准仪2,调整基座1上的基座调平螺丝3,使矩形截面金属梁6水 平。
[0043] (2)沿立柱4移动夹具，使活动极板一 23位于固定极板一 19与固定极板二20中间， 活动极板二24位于固定极板=21与固定极板四22中间，通过可调交流电压源功能切换按键 33,在可调交流电压源显示屏30上分别显示可调交流电压源29输出的正弦信号电压幅度及 频率大小，通过可调交流电压源电压调节旋钮31及可调交流电压源频率调节旋钮32进行调 节，将可调交流电压源29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34及可调输入电阻36的大小将运算放大器一 35的电压放大倍数调节合适，通过模拟示波 器3則尋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39观察放大后的电 桥输出电压的波形，进一步沿立柱4移动夹具，仔细调整固定极板一 19、固定极板二20、固定 极板=21及固定极板四22的位置，使电桥输出电压为零，此时活动极板一 23位于固定极板 一 19与固定极板二20的正中间，活动极板二24位于固定极板=21与固定极板四22的正中 间。
[0044] (3)通过正弦信号电压幅度调节旋钮16及正弦信号电压幅度显示屏15,将正弦信 号源11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13逐渐增加正 弦信号源11输出的正弦信号的频率，激振器則尋正弦信号源11输出的正弦信号转换为同频 率的机械振动，传给由矩形截面金属梁6与铜框架7、金属框架10、铁块18构成的金属梁弹黃 振子，使金属梁弹黃振子做受迫振动。当正弦信号的频率远离金属梁弹黃振子的固有频率 时，铜框架7、金属框架10、铁块18几乎不动或振动非常微弱；当正弦信号的频率逐渐接近金 属梁弹黃振子的固有频率时，基于共振原理，铜框架7、金属框架10、铁块18的振动幅度逐渐 增大，在金属框架10带动下，活动极板一 23及活动极板二24-起上下做简谐振动，因此固定 极板一 19与活动极板一 23构成的电容器一 25,固定极板二20与活动极板一 23构成的电容器 二26，固定极板=21与活动极板二24构成的电容器=27，固定极板四22与活动极板二24构 成的电容器四28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。
[0045] (4)该周期性变化的电桥输出电压经运算放大器一35放大后，再经作为输出缓冲 器的运算放大器二37输出，波形在模拟示波器38上显示出来，在模拟示波器显示屏39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14,进一步仔细调节正 弦信号源11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12上读出的频率就是共振频率，也就是金属梁弹黃振子的固有频率f。
[0046] (5)待金属梁弹黃振子停止振动，测出铜框架7、金属框架10、铁块18及活动极板的 总质量m，即金属梁弹黃振子金属梁中点悬挂物体的质量m。
[0047] (6)用米尺测出矩形截面金属梁6的有效长度，也就是安放此梁的两个立柱4上端 的两刀口中间的距离1，用游标卡尺测出矩形截面金属梁6矩形截面的宽度b和高度d。
[0048] (7)将矩形截面金属梁6的长度1、宽度b、高度d，金属梁中点悬挂物体的质量m，W 及金属梁弹黃振子的固有频率f代入公式
I即可求出金属梁材料的杨氏模量 Y。
【主权项】
1. 根据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一金属框架相连，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，传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属框架、铁块 构成的金属梁弹簧振子，使金属梁弹簧振子做受迫振动； 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，夹具安装在立柱上，夹具可沿立柱 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、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； 步骤二、沿立柱移动夹具，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功能切换按键，在可调交流电 压源显示屏上分别显示可调交流电压源输出的正弦信号电压幅度及频率大小，通过可调交 流电压源电压调节旋钮及可调交流电压源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，进一步沿立柱移动夹 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、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， 传给由矩形截面金属梁与铜框架、金属框架、铁块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、金属框架、 铁块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、金属框架、铁块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做简谐振动，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，也就是金属梁弹簧振子的固有频率f; 步骤五、待金属梁弹簧振子停止振动，测出铜框架、金属框架、铁块及活动极板的总质 量m，即金属梁弹簧振子金属梁中点悬挂物体的质量m; 步骤六、用米尺测出矩形截面金属梁的有效长度，也就是安放此梁的两个立柱上端的 两刀口中间的距离1，用游标卡尺测出矩形截面金属梁矩形截面的宽度b和高度d; 步骤七、将矩形截面金属梁的长度1、宽度b、高度d，金属梁中点悬挂物体的质量m，以及 金属梁弹簧振子的固有频率f代入公式，即可求出金属梁材料的杨氏模量Y。
【文档编号】G01N3/20GK105954361SQ201610462866
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】田凯, 董雪峰, 蔡晓艳, 贾洁, 王照平
【申请人】田凯