动态法测量金属的杨氏模量.ppt

动态法测量金属的杨氏模量 下页 实验目的 课题引入 实验简介 实验原理 注意事项 数据处理 课后作业 实验内容 实验目的1 了解动态法测杨氏模量的原理 2 掌握如何用外推法或近似法测量测试棒的固有频率 3 掌握判别真假共振 即 是否是测试棒共振现象 基本方法 4 能够正确处理实验数据和正确表示实验结果 回主页 下页 上页 总结 杨氏模量是反映材料的抗拉或抗压能力 回主页 下页 上页 所以 杨氏模量的物理意义 在外力的作用下 当物体的长度变化不超过某一限度时 撤去外力之后 物体又能完全恢复原状 在该限度内 物体的长度变化程度与物体内部恢复力之间存在正比关系 注 杨氏模量就是反映该关系的物理量 课题引入 杨氏模量 反映材料应变 即单位长度变化量 与物体内部应力 即单位面积所受到的力的大小 之间关系的物理量 因此 此时材料中 应变为单位长度的变化量 应力为单位面积受到的力 杨氏模量的测量方法 静态法 丝状 和动态法 棒状 静态法 缺点 不能很真实地反映材料内部结构的变化 对于脆性材料不能用拉伸法测量 不能测量材料在不同温度下的杨氏模量 动态法 优点 能准确反映材料在微小形变时的物理性能 测得值精确稳定 对软脆性材料都能测定 温度范围极广 196 2600 动态法 共振法 静态法 拉伸法 实验简介所谓 动态法 就是使测试棒 如铜棒 钢棒 产生弯曲振动 并使其达到共振 通过共振测量出该种材料的杨氏模量值 回主页 下页 上页 动态法 通常采用悬挂法或支持法 本次实验采用 特殊点 特殊点 特殊点 一次谐频振动 特殊点 特殊点 特殊点 特殊点 二次谐频振动 回主页 下页 上页 根据振源的振动频率在不同范围内时 其振动形式相应的有所不同 当振源频率在一定范围内时 其振动形式为第一种情况 基频振动形式 随着振动频率的增加 将逐渐过渡到第二种 1次谐频振动形式 第三种 2次谐频振动形式 本实验采用基频振动形式 因为该振动形式相对简单 固有频率不至一个 而是有多个 分别对应着不同的振动形式 分别为基频固有频率 通常所说的固有频率 1阶固有频率 2阶固有频率 基频振动形式 公式中 表示测试棒的惯量距 主要与金属杆的几何形状有关 其惯量距公式为 动态法测量杨氏模量的原理 在一定条件下 l d 试样振动的固有频率取决于它的几何形状 尺寸 质量以及它的杨氏模量 下页 回主页 上页 如果实验中测出一定温度下 如室温 测试棒的固有频率 尺寸 质量 并知道其几何形状 就可以计算测试棒在此温度时的杨氏模量 实验原理 公式中l为金属杆的长度 m为金属杆的质量 d为金属棒的直径 都较容易测量 f是金属杆的固有频率 本实验测试棒都是圆形金属棒 所以原理公式改写为 注 f不是金属棒的共振频率 而是金属棒的固有频率 固有频率是金属棒本身固有的属性 一旦金属棒做好之后 其固有频率也同时确定 不会因外部条件改变而轻易改变 固有频率与共振频率的区别和联系 共振频率是指当驱动力振动频率非常接近系统的固有频率时 系统振动的振幅达到最大时的振动频率 如何测量f成为实验的关键 为什么不是两者相等时达到振幅最大 是因为现实情况不可能是无阻尼的自由振动 联系 区别 其中 或 由公式得知 阻尼越小 共振频率与固有频率之间的将越接近 当阻尼为零时 共振频率刚好和固有频率相等 但是现实情况是 当支撑点真的指到节点处时 金属棒却无法继续激发测试棒振动 即使能振动亦无法接收到振动信号 即观察不到共振现象 最终也无法得到节点处共振频率 振源 接收 当支撑点指在节点位置时 测量得到的共振频率就是我们所要的找的固有频率值 因为节点处的阻尼为零 无阻尼自由振动的共振频率就是测试棒的固有频率 面对理论要求与现实困难的冲突 该如何处理 常用的处理方法 近似法和推理法 近似法 阻尼越小 共振频率与固有频率之间的偏移将越小 虽然阻尼为零的情况在现实不能存在 但尽可能减小阻尼是可以存在的 因此只要实验中找到节点位置 然后在节点附近测量其共振频率即可近似为固有频率 推理法 如果在节点附近等间距分别测量不同位置的共振频率 那么这些测得的共振频率将遵循某个规律 然后根据该规律通过作图法获得节点处的共振频率 即固有频率 面对理论要求与现实困难的冲突 该如何处理 常用的处理方法 近似法和推理法 近似法 阻尼越小 共振频率与固有频率之间的偏移将越小 虽然阻尼为零的情况在现实不能存在 但尽可能减小阻尼是可以存在的 因此只要实验中找到节点位置 然后再节点附近测量其共振频率即可近似为固有频率 通过以上两种方法测量获得基频固有频率之后 代入到原理公式即可获得杨氏模量 但是原理公式的成立是有条件的 l d 在一定条件下 l d 试样振动的固有频率取决于它的几何形状 尺寸 质量以及它的杨氏模量 现实情况不太可能达到l d的条件 故对原理公式需要作些适当的修正 即原理公式基础上再乘以一个修正量 T的大小由查表获得 本实验统一近似取T 1 008 实验内容1 正确连接线路并使处于工作状态 2 正确判断真假共振 是否是测试棒的共振现象 3 分别测量粗铜棒不同刻度处的共振频率 4 根据不同刻度处共振现象和共振频率数据判断节点位置 排除法 5 用近似法测量该测试棒的固有频率 支撑点节点附近重复测量6次 注意每测1次转动测试棒1次 6 改变试样 分别测量细铜棒和细钢棒的固有频率 回主页 下页 上页 注意事项1 因换能器为厚度约为0 1 0 3mm的压电晶体 用胶粘在0 1mm左右的黄铜片上构成 故极其脆弱 放置测试棒时一定要轻拿轻放 不能用力 也不能敲打 2 调节支撑点保证测试棒在竖直方向上振动 3 信号源 换能器 放大器 示波器均应共 地 回主页 下页 上页 数据处理1 因为多次测量频率值 故计算A类不确定度 因为仪器本身有系统