这个实验可以测量金属棒中纵向波的速度,由于金属棒的一端被锤子击中,所以锤子保持接触,直到脉冲从杆的远端返回为止。
对于金属棒和锤子的接触及渐渐的断开接触,通过DrDAQ 数据记录仪上输入电压的变化,可以了解锤和金属棒的接触及其断开的时间。这种变化如下图所示,迹线上升的起始点表示锤和金属棒的接触时间,以及开始下落表明锤与金属棒断开接触的地方。两者之间的时间是:
(1)锤子与金属棒接触的时间长度;(2)纵波脉冲行进到金属棒另一端所需的时间。
典型迹线
实验过程:
1、用砂布将锤头和金属棒尾部清洁干净,如有必要,还可以通过连接引线清洁锤子和金属棒上接触点位置,这将确保电路中良好的电气接触。
2、将金属杆从两个蒸馏架上的夹子上悬挂在两个相当长的弹性带上。按照下图所示的电路,将金属棒,锤子,3 V电池连接到Pico DrDAQ 上,加载PicoScope软件。
电路连接
3、使用DrDAQ,如果示波器显示屏尚未在屏幕上,请选择示波器显示。选择伏特,输入A的Y增益为X 1。将其他输入关闭。将Timebase设置为1ms/div;X增加到x 2;触发到单,上升和70 mV *; 和显示设置(屏幕底部的右侧框)为-10%。如果数据记录不按预期显示,您可以随后调整X和Y增益。点击GO,用锤子敲击金属杆的末端,也可以减少此值,但必须足够高以防止触发过早。
4、测量金属棒的长度。
结果分析:
1、单击数据记录开始上升点的光标,并记下发生这种情况的时间t上升。现在,单击记录点刚开始下降的点上的光标,并记录发生此时的时间t。这些时间的差异是锤子与金属杆接触的时间。
2、计算并注意金属棒上的纵波脉冲的速度。
固体波脉冲的速度v 纵向由下式给出:
其中E是材料的杨氏模量,p是其密度
对于铝E = 7.0×1010Nm-2和p= 2.7×103 kg m-3。
对于钢E = 2.0×1011Nm-2和p= 7.8×103kgm-3。
将您的实验值与使用上述表达式获得的值进行比较。
注意:您可能会发现所获得的值之间的差异取决于这几个方面:
(1)金属各向异性的程度,它们在各个方面上没有相同的性质;
(2)金属在制造过程中进行的冷加工程度;
(3)E和p随温度变化;
(4)剪切力也发挥作用,因此速度不仅取决于杨氏模量E,而且取决于金属棒的体积模量;
(5)实验结果的不确定性。