物理实验报告-共振法测量固体材料的杨氏模量

学生姓名： 学号： 班级：材料科学与工程124班 班级编号:B510 实验时间：19时 00分 第二周 星期一 座位号:13 教师编号:T002

动态法测量杨氏模量

一、实验目的

1 学会用动态悬挂法测量材料的杨氏模量． 2 学会用外延法测量，处理实验数据．

3了解换能器的功能，熟悉测试仪器的使用．

4 培养学生综合运用知识和使用常用实验仪器的能力．

二、实验原理

如图所示，一长为L的细棒（长度比横向尺寸大很多），棒的轴线沿x方向．棒在z方向的振动（棒的横振动）满足动力学方程

2YI40 24tSx式中为棒上距左端x处横截面的z方向位移，Y为该棒的杨氏模量，单位为N/m2，为材料密度，

S为棒的横截面积， S为某一截面的惯量矩。 由该方程及边界条件，可解出杨氏模量： Y1.9978103L4SI7.88701022L3m2f

I上式中m为棒的质量，f为圆棒的基频频率．

4d 对于直径为d的圆棒，惯量矩I，代入上式得：

zdS2S64L3m2Y1.60674f

d实验中就是以支撑点位置为横坐标，以相对应的共振频率为纵坐标作出关系曲线，用外延测量法求得曲线最低点（即节点）所对应的频率即为试棒的基频共振频率f1．再由上式可求得杨氏模量Y。

三、实验仪器

YM-2动态型杨氏模量测试台，FB209型动态杨氏模量测试仪，通用示波器、试样棒（铜）、天平、螺旋测微计等．

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四、实验内容

1 测量试样棒的长度L，直径d，质量m． 2 测量试样棒在室温时的共振频率f1．

(1) 安装试样棒：将试样棒悬挂于两悬线之上，要求试样棒横向水平，悬线与试样棒轴向垂直，两悬线挂点到试样棒的端点距离相同，并处于静止状态．

(2) 连机：将测试台、测试仪器、示波器之间用专用导线连接．

(3) 开机：分别打开示波器、测试仪的电源开关，调整示波器处于正常工作状态．适当选取输出衰减大小，调节频率旋钮显示当前输出频率．

(4) 鉴频：待试样棒稳定后，调节“频率调节”粗、细旋钮，寻找试样棒的共振频率f1． (5) 外延法测共振频率f1：因f1值随悬线位置不同而略有变化。按照上述方法，依次将两悬线支架同时从距两端20mm处开始，每次向内移动5mm，直至50mm处（35mm处不测），分别测出相应的共振频率f1．（自行设计数据记录表格）

(6) 以支撑点位置x为横坐标，以相对应的共振频率为纵坐标作出关系曲线，求曲线最低点（即节点）所对应的频率（即是试棒的基频共振频率f1）．

五、数据分析

实验所得数据如下

L:178mm D:8mm m:75g

x（mm） 5 f（Hz) 706.1 10 716.3 15 720.7 20 729.0 25 722.7 30 720.7

由以上数据可得图1（利用外延法）

5 求杨氏模量

mL327510317.8102Y=1.60674f1.60674d81033729.029.31010Nm2

相对不确定度为

2

fEY=2f2

20.0220.0055%729.0Y=EyY0.0055%9.310100.05109Nm2

Y(9.30.005)1010Nm2

六、思考题

1 外延测量法有什么特点？

答：所谓外延测量法，就是所需要的数据在测量数据范围之外，为了求得这个值，采用作图外推求值的方法．即事先使用已测数据绘制出曲线，再将曲线按原规律延长到待求值范围，在延长线部分求出所要的值。

2 物体的固有频率和共振频率有什么不同？它们之间有何关系? 答：固有频率只由系统本身的性质决定。固有频率和共振频率是两个不同的概念，它们之间的关系为：

f固＝f共11 24Q式中Q为试样的机械品质因数。对于悬挂法测量杨氏模量，Q值的最小值约为50，所以共振频率和固有频率相比只偏低0.005%，由于两者相差很小，故实验中可用f共代替f固。

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