基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置及方法
【專利摘要】基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置及方法，涉及一種楊氏模量測量裝置及方法，本發明為解決目前大學物理實驗中梁彎曲法測楊氏模量的實驗原理比較單一而且抽象，望遠鏡的調節難度比較大的問題。本發明裝置包括在基座上設置兩個立柱，一矩形截面金屬梁兩端自由地跨置在立柱上端的刀口上，金屬梁上套一個銅框架，下端設置力敏傳感器及鐵塊，下方設置電磁鐵裝置，在標尺底座上設置標尺，標尺上設置激光器及與智能光電計時器相連的光電傳感器；本發明方法通過測激光器發出的激光束經光杠桿的平面鏡反射后在標尺上形成的光斑做簡諧振動的周期，得到金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期，代入公式計算出楊氏模量。本發明適用于楊氏模量的測量。
【專利說明】
基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一項大學物理實驗，具體是涉及一種基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏 模量的實驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 在外力作用下，固體所發生的形狀變化，稱為形變。它可分為彈性形變和范性形變 兩類。外力撤除后物體能完全恢復原狀的形變，稱為彈性形變。如果加在物體上的外力過 大，以致外力撤除后，物體不能完全恢復原狀，而留下剩余形變，就稱之為范性形變。在本實 驗中，只研究彈性形變。為此，應當控制外力的大小，以保證此外力去除后物體能恢復原狀。 最簡單的形變是棒狀物體(或金屬絲)受外力后的伸長與縮短。設一物體長為L，截面積為S， 沿長度方向施力F后，物體伸長(或縮短)為AL。比值F/S是單位面積上的作用力，稱為脅強， 它決定了物體的形變;比值A L/L是物體的相對伸長，稱為脅變，它表示物體形變的大小。按 照胡克定律，在物體的彈性限度內脅強與脅變成正比，比例系數稱為楊 氏模量。
[0003] 實驗表明，楊氏模量與外力F、物體的長度L和截面積S的大小無關，而只取決于棒 (或金屬絲）的材料。楊氏模量是描述固體材料彈性形變能力的一個重要力學參數，是選定 機械構件材料的依據之一，是工程技術中常用的參數。不管是彈性材料，如各種金屬材料， 還是脆性材料，如玻璃、陶瓷等，或者是其他各種新材料，如玻璃鋼、碳纖維復合材料等，為 了保證正常安全的使用，都要測量它們的楊氏模量。長期以來，測量材料的楊氏模量通常采 用靜態拉伸法，一般在萬能材料試驗機上進行。這種方法荷載大，加載速度慢，存在弛豫過 程，會增加測量誤差，并且對脆性材料不易測量，在不同溫度條件下測量也不方便。20世紀 80年代，有人用激光全息干涉法和激光散斑法對航空航天領域的碳復合材料的楊氏模量進 行測量，以此來研究材料缺陷對楊氏模量的影響，取得了很好的效果。20世紀90年代，動力 學楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法作為國家技術標準推薦執行。這種方法能夠在 較大的高低溫范圍內測量各種材料的楊氏模量，且測量精度較高。靜態法除了靜態拉伸法， 還有靜態扭轉法、靜態彎曲法等;動態法除了橫向共振，還有縱向共振、扭轉共振等。另外還 可以用波速測量法，利用連續波或者脈沖波來測量楊氏模量。
[0004]雖然動力學楊氏模量測量方法即懸絲耦合彎曲共振法有很多優點，但是由于理論 公式復雜，原理不易理解，設備也比較復雜，實驗難度大，因此目前大學物理實驗中常采用 梁彎曲法，根據光杠桿放大原理來測定金屬材料的楊氏模量。光杠桿放大原理已被廣泛應 用在測量技術中，如沖擊電流計和光點檢流計測量小角度的變化。近年來也有采用其他一 些比較先進的微小位移測量方法，比如電渦流傳感器法、邁克爾遜干涉儀法、光纖位移傳感 器法等來測定金屬材料的楊氏模量。目前大學物理實驗中梁彎曲法測金屬材料楊氏模量的 實驗裝置主要存在以下不足：
[0005]其一，通常采用靜態拉伸法測金屬材料楊氏模量，原理比較單一。
[0006] 其二，根據光杠桿放大原理，通過光杠桿、望遠鏡及標尺組成的放大系統測量矩形 截面金屬梁中點下彎的垂度，方法雖然巧妙，但是原理比較抽象，不易理解，望遠鏡的調節 難度比較大，注意事項比較多，而且直接通過人眼利用望遠鏡進行觀察測量，非常容易疲 勞，容易將數據弄錯，影響測量結果的準確性。
[0007] 其三，一般采用砝碼給金屬梁施加拉力，用砝碼的標稱質量計算拉力不準確，從而 影響實驗結果的準確性。
[0008] 其四，光杠桿的平面鏡一般用玻璃制成，實驗過程中容易損壞。
[0009] 其五，標尺照明器一般采用小型直管日光燈，亮度不易調節，容易損壞，而且由于 電源裝置中有電容，用完之后如不及時放電容易使實驗者受到電擊。
【發明內容】
[0010] 為了克服現有技術的上述不足，本發明提出一種基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏 模量的實驗裝置及方法，本發明實驗原理簡單易懂，所述實驗裝置采用激光器代替望遠鏡， 實驗現象非常直觀，調節難度比較小，觀察與測量比較方便。光杠桿的平面鏡用透明樹脂材 料代替玻璃制成，實驗過程中不容易損壞。標尺照明器采用LED燈，可方便調節亮度，壽命長 且不易損壞。
[0011] 本發明解決其技術問題所采用的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝 置是:在基座上設置兩個立柱，在兩個立柱上端各固定一個鋼制刀口，兩刀口的刀刃互相平 行，一矩形截面金屬梁兩端自由地跨置在兩個立柱上端的刀口上，在矩形截面金屬梁上套 一個銅框架，銅框架與矩形截面金屬梁接觸處也是一個刀口，并且銅框架刀口恰好位于兩 個立柱上端的刀口正中間，在銅框架下端設置力敏傳感器，力敏傳感器通過連接裝置與鐵 塊相連，鐵塊下方設置電磁鐵裝置，在銅框架上端設置平臺一。力敏傳感器通過接口與力敏 傳感器測量控制器相連，力敏傳感器用來測量銅框架所受拉力大小，也就是矩形截面金屬 梁中點處所受拉力大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來。電磁鐵裝置用來通過 磁力作用于鐵塊給矩形截面金屬梁施加拉力，然后釋放，從而使銅框架、鐵塊、平臺一在矩 形截面金屬梁作用下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕調節拉力大小。 在基座上設置一支架，在支架上端設置平臺二，光杠桿放在平臺二上，光杠桿的平面鏡用透 明樹脂材料制成，二前足在平臺二的橫槽內，后足放在平臺一上。在標尺底座上設置標尺， 標尺上設置激光器，激光器可沿標尺移動以改變位置，激光器通過接口與激光器控制器相 連，通過工作電流調節旋鈕可以調節激光器的工作電流。標尺內部設置標尺照明器，標尺照 明器采用LED燈，可方便調節亮度，壽命長且不易損壞，標尺照明器與標尺照明器控制器相 連，通過亮度調節旋鈕可以調節亮度。在標尺上靠近激光器的正上方設置一光電傳感器，光 電傳感器可沿標尺移動以改變位置，光電傳感器通過接口與智能光電計時器相連，通過智 能光電計時器顯示屏、智能光電計時器啟停按鍵及智能光電計時器功能切換按鍵，可以測 量矩形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、平臺一構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期。
[0012] 本發明所述的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置測金屬材料楊氏 模量的實驗方法，該方法的具體過程包括以下步驟：
[0013] 步驟一、調整基座與標尺底座，使二者之間的距離大于1米;通過觀察基座水準儀， 調整基座上的基座調平螺絲，使矩形截面金屬梁水平;通過觀察標尺底座水準儀，調整標尺 底座上的標尺底座調平螺絲，使標尺達到豎直狀態;通過標尺照明器控制器上的亮度調節 旋鈕調節標尺照明器的亮度，使標尺亮度合適；
[0014] 步驟二、將光杠桿放在平臺二上，二前足在平臺二的橫槽內，后足放在平臺一上， 使光杠桿的平面鏡與平臺二垂直；
[0015] 步驟三、通過激光器工作電流調節旋鈕調節激光器的工作電流合適，左右移動標 尺底座，使激光器沿標尺上下移動改變位置，使激光器發出的激光束能水平出射并且垂直 入射到光杠桿的平面鏡上，即反射光能沿原路返回出射孔；
[0016] 步驟四、通過電磁鐵裝置開關按鍵使電磁鐵裝置工作，通過磁力作用于鐵塊給矩 形截面金屬梁施加拉力，并通過力敏傳感器測量顯示屏觀察矩形截面金屬梁所受拉力大 小，通過調節電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕調節電磁鐵裝置的工作電流，使拉力大小合適， 然后通過電磁鐵裝置開關按鍵使電磁鐵裝置停止工作，從而使矩形截面金屬梁與銅框架、 鐵塊、平臺一構成的金屬梁彈簧振子開始做簡諧振動;在平臺一帶動下，光杠桿的后足及平 面鏡一起做簡諧振動，因此激光器發出的激光束經光杠桿的平面鏡反射后在標尺上形成的 光斑也一起在標尺上上下做簡諧振動；
[0017] 步驟五、使光電傳感器沿標尺移動改變位置，使其位于激光器的正上方，并且在光 斑做簡諧振動的路徑上;利用智能光電計時器測量光斑在標尺上做簡諧振動的周期，具體 過程是，通過智能光電計時器啟停按鍵使智能光電計時器開始工作，經過一段時間，再通過 智能光電計時器啟停按鍵使智能光電計時器停止工作，通過智能光電計時器功能切換按 鍵，可在智能光電計時器顯示屏上分別顯示光斑經過光電傳感器的次數及相應的時間，進 而可以計算得到光斑在標尺上做簡諧振動的周期T，即矩形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、平 臺一構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期T;
[0018] 步驟六、待金屬梁彈簧振子停止振動，測出銅框架、鐵塊、平臺一的總質量m，即金 屬梁彈簧振子金屬梁中點懸掛物體的質量m;
[0019] 步驟七、用米尺測出矩形截面金屬梁的有效長度，也就是安放此梁的兩個立柱上 端的兩刀口中間的距離1，用游標卡尺測出矩形截面金屬梁矩形截面的寬度b和高度d;
[0020] 步驟八、將矩形截面金屬梁的長度1、寬度b、高度d，金屬梁中點懸掛物體的質量m，
以及金屬梁彈簧振子做簡諧振動時的周期T代入公另 ，即可求出金屬梁材料的楊 氏模量Y。
[0021 ]基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的理論基礎：
[0022]設一長度為1、寬度為b、高度為d的矩形截面金屬梁，當其兩端自由地跨置在一對 平行的水平刀口上，中點受到向下的拉力F作用時，梁將向下彎曲，設梁中點下彎的垂度為 h，設金屬梁材料的楊氏模量為Y，若不計梁的重量，而且彎曲在彈性限度內，當h<<l時，有
(1)
[0024]將(1)式變為 (2)
[0026]根據(2)式，可以將該矩形截面金屬梁看成一根彈性系數
·的彈簧。在該 矩形截面金屬梁中點處懸掛一質量為m的物體，則金屬梁彈簧與該物體構成一金屬梁彈簧 振子，給該系統施加一定拉力，然后釋放，則物體將在豎直方向上做簡諧振動，其周期可由 彈簧振子的周期公式求出，BP
(3)
[0028]將金屬梁彈簧的彈性系數代入(3)式，可得該金屬梁彈簧振子做簡諧振 動時的周期
(4)
[0030]根據(4)式，可求出金屬梁材料的楊氏模量Y，即
(5)
[0032]根據(5)式，只要測出矩形截面金屬梁的長度1、寬度b、高度d，金屬梁彈簧振子金 屬梁中點懸掛物體的質量m，以及金屬梁彈簧振子做簡諧振動時的周期T，就可以代入公式 求出金屬梁材料的楊氏模量Y。
[0033]本發明的有益效果是：
[0034] 其一，本發明提出一種新的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的方法，該方法 與大學物理實驗課中通常采用的梁彎曲法測金屬材料楊氏模量的方法存在著本質不同，而 且該方法所依據的實驗原理很簡單，就是常見的彈簧振子模型，高中物理課中就已經涉及 到相關公式，大學物理課中也有詳細的分析，簡單易懂。因此如果將該發明引入到大學物理 實驗課中，非常有助于豐富大學物理實驗內容，開闊學生的思路，培養學生的創新精神，增 強學生靈活運用知識解決問題的能力。
[0035] 其二，本發明提出的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置也不復雜， 在現有實驗裝置的基礎上稍加改進即可，比較容易實現。
[0036]其三，本發明提出的實驗裝置采用激光器代替望遠鏡，容易調節，實驗現象直觀， 觀察與測量比較方便。
[0037] 其四，本發明提出的實驗裝置中光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料制成，實驗過程 中不容易損壞。
[0038] 其五，本發明提出的實驗裝置中標尺照明器采用LED燈，可方便調節亮度，壽命長 且不易損壞。
[0039] 其六，本發明提出的實驗裝置采用電磁鐵裝置使矩形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、 平臺一構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動，操作方便。
[0040] 其七，本發明提出的實驗裝置中通過力敏傳感器測量矩形截面金屬梁所受拉力大 小，并通過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來，可方便監控金屬梁所受拉力，避免超過彈性限 度。
【附圖說明】
[0041] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0042] 附圖是本發明的結構示意圖。
[0043] 圖中1.基座，2.基座水準儀，3.基座調平螺絲，4.立柱，5.立柱刀口，6.矩形截面金 屬梁，7.銅框架，8.銅框架刀口，9.力敏傳感器，10.電磁鐵裝置，11.電磁鐵裝置工作電流調 節旋鈕，12.電磁鐵裝置開關按鍵，13.力敏傳感器測量控制器，14.力敏傳感器測量顯示屏， 15.調零旋鈕，16.測量啟動按鍵，17.平臺一，18.支架，19.平臺二，20.光杠桿，21.標尺底 座，22.標尺底座水準儀，23.標尺底座調平螺絲，24.標尺，25.標尺照明器，26.標尺照明器 控制器，27.亮度調節旋鈕，28.開關按鍵，29.激光器，30 .激光器控制器，31.激光器工作電 流調節旋鈕，32.光電傳感器，33.智能光電計時器，34.智能光電計時器顯示屏，35.智能光 電計時器啟停按鍵，36.智能光電計時器功能切換按鍵，37.鐵塊。
【具體實施方式】
[0044] 圖中，在基座1上設置兩個立柱4,在兩個立柱4上端各固定一個鋼制刀口，即立柱 刀口5，兩刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金屬梁6兩端自由地跨置在兩個立柱4上端的刀 口上，在矩形截面金屬梁6上套一個銅框架7，銅框架7與矩形截面金屬梁6接觸處也是一個 刀口，即銅框架刀口8,并且銅框架刀口8恰好位于兩個立柱上端的刀口正中間，在銅框架7 下端設置力敏傳感器9，力敏傳感器9通過連接裝置與鐵塊37相連，鐵塊37下方設置電磁鐵 裝置10,在銅框架7上端設置平臺一 17。力敏傳感器9通過接口與力敏傳感器測量控制器13 相連，力敏傳感器9用來測量銅框架7所受拉力大小，也就是矩形截面金屬梁6中點處所受拉 力大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏14顯示出來。電磁鐵裝置10用來通過磁力作用于 鐵塊37給矩形截面金屬梁6施加拉力，然后釋放，從而使銅框架7、鐵塊37、平臺一 17在矩形 截面金屬梁6作用下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕11調節拉力大小。 在基座1上設置一支架18,在支架18上端設置平臺二19,光杠桿20放在平臺二19上，光杠桿 20的平面鏡用透明樹脂材料制成，二前足在平臺二19的橫槽內，后足放在平臺一 17上。在標 尺底座21上設置標尺24，標尺24上設置激光器29，激光器29可沿標尺24移動以改變位置，激 光器29通過接口與激光器控制器30相連，通過工作電流調節旋鈕31可以調節激光器29的工 作電流。標尺24內部設置標尺照明器25,標尺照明器25采用LED燈，可方便調節亮度，壽命長 且不易損壞，標尺照明器25與標尺照明器控制器26相連，通過亮度調節旋鈕27可以調節亮 度。在標尺24上靠近激光器29的正上方設置一光電傳感器32,光電傳感器32可沿標尺24移 動以改變位置，光電傳感器32通過接口與智能光電計時器33相連，通過智能光電計時器顯 示屏34、智能光電計時器啟停按鍵35及智能光電計時器功能切換按鍵36,可以測量矩形截 面金屬梁6與銅框架7、鐵塊37、平臺一 17構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期。
[0045] 具體實驗操作步驟為：
[0046] (1)調整基座1與標尺底座21，使二者之間的距離大于1米。通過觀察基座水準儀2， 調整基座1上的基座調平螺絲3,使矩形截面金屬梁6水平。通過觀察標尺底座水準儀22,調 整標尺底座21上的標尺底座調平螺絲23,使標尺24達到豎直狀態。通過標尺照明器控制器 26上的亮度調節旋鈕27調節標尺照明器25的亮度，使標尺24亮度合適。
[0047] (2)將光杠桿20放在平臺二19上，二前足在平臺二19的橫槽內，后足放在平臺一 17 上，使光杠桿20的平面鏡與平臺二19垂直。
[0048] (3)通過激光器工作電流調節旋鈕31調節激光器29的工作電流合適，左右移動標 尺底座21，使激光器29沿標尺24上下移動改變位置，使激光器29發出的激光束能水平出射 并且垂直入射到光杠桿20的平面鏡上，即反射光能沿原路返回出射孔。
[0049] (4)通過電磁鐵裝置開關按鍵12使電磁鐵裝置10工作，通過磁力作用于鐵塊37給 矩形截面金屬梁6施加拉力，并通過力敏傳感器測量顯示屏14觀察矩形截面金屬梁6所受拉 力大小，通過調節電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕11調節電磁鐵裝置10的工作電流，使拉力 大小合適，然后通過電磁鐵裝置開關按鍵12使電磁鐵裝置10停止工作，從而使矩形截面金 屬梁6與銅框架7、鐵塊37、平臺一 17構成的金屬梁彈簧振子開始做簡諧振動。在平臺一 17帶 動下，光杠桿20的后足及平面鏡一起做簡諧振動，因此激光器29發出的激光束經光杠桿20 的平面鏡反射后在標尺24上形成的光斑也一起在標尺24上上下做簡諧振動。
[0050] (5)使光電傳感器32沿標尺24移動改變位置，使其位于激光器29的正上方，并且在 光斑做簡諧振動的路徑上。利用智能光電計時器33測量光斑在標尺24上做簡諧振動的周 期，具體過程是:通過智能光電計時器啟停按鍵35使智能光電計時器33開始工作，經過一段 時間，再通過智能光電計時器啟停按鍵35使智能光電計時器33停止工作，通過智能光電計 時器功能切換按鍵36,可在智能光電計時器顯示屏34上分別顯示光斑經過光電傳感器32的 次數及相應的時間，進而可以計算得到光斑在標尺24上做簡諧振動的周期T，即矩形截面金 屬梁6與銅框架7、鐵塊37、平臺一 17構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期T。
[0051] (6)待金屬梁彈簧振子停止振動，測出銅框架7、鐵塊37、平臺一 17的總質量m，即金 屬梁彈簧振子金屬梁中點懸掛物體的質量m。
[0052] (7)用米尺測出矩形截面金屬梁6的有效長度，也就是安放此梁的兩個立柱4上端 的兩刀口中間的距離1，用游標卡尺測出矩形截面金屬梁6矩形截面的寬度b和高度d。
[0053] (8)將矩形截面金屬梁6的長度1、寬度b、高度d，金屬梁中點懸掛物體的質量m，以
及金屬梁彈簧振子做簡諧振動時的周期T代入公式 ，即可求出金屬梁材料的楊氏 模量Y。
[0054] 以上對本發明進行了闡述，但是本發明所介紹的實施例并沒有限制的意圖，在不 背離本發明主旨的范圍內，本發明可有多種變化和修改。
【主權項】
1. 基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置，其特征在于，它包括在基座上設 置兩個立柱，在兩個立柱上端各固定一個鋼制刀口，兩刀口的刀刃互相平行，一矩形截面金 屬梁兩端自由地跨置在兩個立柱上端的刀口上，在矩形截面金屬梁上套一個銅框架，銅框 架與矩形截面金屬梁接觸處也是一個刀口，并且銅框架刀口恰好位于兩個立柱上端的刀口 正中間，在銅框架下端設置力敏傳感器，力敏傳感器通過連接裝置與鐵塊相連，鐵塊下方設 置電磁鐵裝置，在銅框架上端設置平臺一；力敏傳感器通過接口與力敏傳感器測量控制器 相連，力敏傳感器用來測量銅框架所受拉力大小，也就是矩形截面金屬梁中點處所受拉力 大小，并可通過力敏傳感器測量顯示屏顯示出來；電磁鐵裝置用來通過磁力作用于鐵塊給 矩形截面金屬梁施加拉力，然后釋放，從而使銅框架、鐵塊、平臺一在矩形截面金屬梁作用 下做簡諧振動，并可通過電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕調節拉力大小； 在基座上設置一支架，在支架上端設置平臺二，光杠桿放在平臺二上，二前足在平臺二 的橫槽內，后足放在平臺一上;在標尺底座上設置標尺，標尺上設置激光器，激光器可沿標 尺移動以改變位置，激光器通過接口與激光器控制器相連，通過工作電流調節旋鈕可以調 節激光器的工作電流;標尺內部設置標尺照明器，標尺照明器與標尺照明器控制器相連，通 過亮度調節旋鈕可以調節亮度;在標尺上靠近激光器的正上方設置一光電傳感器，光電傳 感器可沿標尺移動以改變位置，光電傳感器通過接口與智能光電計時器相連，通過智能光 電計時器顯示屏、智能光電計時器啟停按鍵及智能光電計時器功能切換按鍵，可以測量矩 形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、平臺一構成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期。2. 根據權利要求1所述的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置，其特征在 于，光杠桿的平面鏡用透明樹脂材料制成。3. 根據權利要求1所述的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置，其特征在 于，標尺照明器采用LED燈。4. 根據權利要求1所述的基于簡諧振動的梁彎曲法測楊氏模量的實驗裝置測材料楊氏 模量的實驗方法，其特征在于，該方法的具體過程包括以下步驟： 步驟一、調整基座與標尺底座，使二者之間的距離大于1米;通過觀察基座水準儀，調整 基座上的基座調平螺絲，使矩形截面金屬梁水平;通過觀察標尺底座水準儀，調整標尺底座 上的標尺底座調平螺絲，使標尺達到豎直狀態;通過標尺照明器控制器上的亮度調節旋鈕 調節標尺照明器的亮度，使標尺亮度合適； 步驟二、將光杠桿放在平臺二上，二前足在平臺二的橫槽內，后足放在平臺一上，使光 杠桿的平面鏡與平臺二垂直； 步驟三、通過激光器工作電流調節旋鈕調節激光器的工作電流合適，左右移動標尺底 座，使激光器沿標尺上下移動改變位置，使激光器發出的激光束能水平出射并且垂直入射 到光杠桿的平面鏡上，即反射光能沿原路返回出射孔； 步驟四、通過電磁鐵裝置開關按鍵使電磁鐵裝置工作，通過磁力作用于鐵塊給矩形截 面金屬梁施加拉力，并通過力敏傳感器測量顯示屏觀察矩形截面金屬梁所受拉力大小，通 過調節電磁鐵裝置工作電流調節旋鈕調節電磁鐵裝置的工作電流，使拉力大小合適，然后 通過電磁鐵裝置開關按鍵使電磁鐵裝置停止工作，從而使矩形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、 平臺一構成的金屬梁彈簧振子開始做簡諧振動;在平臺一帶動下，光杠桿的后足及平面鏡 一起做簡諧振動，因此激光器發出的激光束經光杠桿的平面鏡反射后在標尺上形成的光斑 也一起在標尺上上下做簡諧振動； 步驟五、使光電傳感器沿標尺移動改變位置，使其位于激光器的正上方，并且在光斑做 簡諧振動的路徑上;利用智能光電計時器測量光斑在標尺上做簡諧振動的周期，具體過程 是，通過智能光電計時器啟停按鍵使智能光電計時器開始工作，經過一段時間，再通過智能 光電計時器啟停按鍵使智能光電計時器停止工作，通過智能光電計時器功能切換按鍵，可 在智能光電計時器顯示屏上分別顯示光斑經過光電傳感器的次數及相應的時間，進而可以 計算得到光斑在標尺上做簡諧振動的周期T，即矩形截面金屬梁與銅框架、鐵塊、平臺一構 成的金屬梁彈簧振子做簡諧振動的周期T; 步驟六、待金屬梁彈簧振子停止振動，測出銅框架、鐵塊、平臺一的總質量m，即金屬梁 彈簧振子金屬梁中點懸掛物體的質量m; 步驟七、用米尺測出矩形截面金屬梁的有效長度，也就是安放此梁的兩個立柱上端的 兩刀口中間的距離1，用游標卡尺測出矩形截面金屬梁矩形截面的寬度b和高度d; 步驟八、將矩形截面金屬梁的長度1、寬度b、高度d，金屬梁中點懸掛物體的質量m，以及金屬梁彈簧振子做簡諧振動時的周期T代入公式 ，即可求出金屬梁材料的楊氏模 量Y。
【文檔編號】G09B23/10GK106018556SQ201610465223
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】田凱, 張金平, 董雪峰, 王二萍, 張洋洋
【申請人】田凱