CN103149096A - 基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置，属于物理实验仪器技术领域。它包括支架、金属丝、光杠杆、工作平台、光杠杠反射镜、半反半透镜、激光器和带有刻度的光屏，所述的金属丝的上端通过上夹头连接在支架上，金属丝的下端通过下夹头连接砝码，所述的光杠杆包括光杠杆反射镜、杠杆支脚和刀口，光杠杆反射镜与所述的工作平台垂直，杠杆支脚和刀口等高，刀口放在工作平台上，杠杆支脚连接在下夹头上；所述的半反半透镜和带有刻度的光屏与工作平台垂直；半反半透镜、带有刻度的光屏和光杠杆反射镜的下端距离工作平台等高。使用该测量装置测量金属材料的杨氏模量时，用多级光杠杆代替了一级光杠杆，极大的放大了金属丝的微小伸长量；同时仪器操作简捷，很快速的调节和测量实验。

Description

基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置

技术领域

本发明涉及一种物理量的测量装置，尤其是用于测量金属丝的杨氏模量的测量装置，属于物理实验仪器技术领域。

背景技术

杨氏模量是反应金属材料抵抗形变能力的一个物理量，杨氏模量的测量是大学物理实验的重要内容之一。目前，主要利用光杠杆原理通过拉伸法测量杨氏模量，光杠杆法测量杨氏模量的实验装置主要由光杠杆系统、望远镜、标尺、游标卡尺、螺旋测微器和砝码等构成。测量过程中需要调节望远镜和平面镜等高共轴，才能在望远镜中观察到平面镜反射的标尺像，并通过记录标尺像的位置读数变化，计算金属丝伸长量，进而可以计算中金属材料的杨氏模量。由于望远镜的视野小，实验中不容易找到标尺像，调节实验仪器通常要消耗大量的时间。而且实验者要在望远镜和模量仪之间来回跑动调节，带来了很多的不方便。

发明内容

本发明提供一种基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置，该测量装置观察直观、操作便捷，不需要在望远镜中艰难的找到标尺像，更不需要在望远镜和模量仪之间来回跑动调节。和一级光杠杆相比，激光能在光杠杆反射镜上进行多次反射，极大的放大了金属丝的微小伸长量。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置，它包括支架、金属丝、光杠杆、工作平台、光杠杠反射镜、半反半透镜、激光器和带有刻度的光屏，所述的金属丝的上端通过上夹头连接在支架上，金属丝的下端通过下夹头连接砝码，其特征在于：所述的光杠杆包括光杠杆反射镜、杠杆支脚和刀口，光杠杆反射镜与所述的工作平台垂直，杠杆支脚和刀口等高，刀口放在工作平台上，杠杆支脚连接在下夹头上；所述的半反半透镜和带有刻度的光屏与工作平台垂直；半反半透镜、带有刻度的光屏和光杠杆反射镜的下端距离工作平台等高；光杠杆反射镜的长度比半反半透镜的长度更长；带有刻度的光屏的长度比光杠杆反射镜的长度更长。

本发明的原理是：当没有放砝码时，调节激光束出射激光的方向，使激光束的方向与工作平台平行，激光束射在光杠杆反射镜上，然后经过半反半透镜，打在带有刻度的光屏的最低端。放置砝码后，金属丝在砝码的拉力下发生了微小的伸长，通过光杠杆带动光杠杆反射镜发生一定角度的偏转，激光束将以不同的入射角在光杠杆反射镜和半反半透镜之间进行来回反射，由于光杠杆反射镜比半反半透镜更长，所以激光束在光杠杆反射镜上进行多次反射后最终会打在带有刻度的光屏上，光屏上激光亮点的数目表示激光在光杠杆反射镜上反射的次数，记下每次增加砝码时光屏上激光亮点的数目和最高处亮点的刻度值，从而可以得到金属丝此时的微小伸长量，通过进一步的计算可以得到金属丝的杨氏模量。

通过下面的计算方法可以计算出金属丝的微小伸长量。

金属丝的微小伸长量为：

△L=d·tanθ≈d·θ   （1）

其中，d为杠杆支脚和刀口之间的距离，θ为由于金属丝微小伸长而引起光杠杆偏转的角度。

当θ=0时，激光打在带有刻度的光屏的最低端A点；当偏转角θ不为0时，假如激光在光杠杆反射镜上只能进行一次反射，激光将打在光屏上的N₁点。

N₁和A之间的距离为：

N₁A=(D+H)·tan2θ≈(D+H)·2θ   （2）

其中，D为光杠杆反射镜和半反半透镜之间的距离，H为半反半透镜和带有刻度的光屏之间的距离。

当激光在光杠杆反射镜上能进行两次反射时，激光最终将打在光屏上的N₂点。

N₂和A之间的距离为：

N₂A≈2D·tan2θ+(D+H)·tan4θ≈2D·2θ+(D+H)·4θ   （3）

同理可推算得，

N₃和A之间的距离为：

N₃A≈2D·tan2θ+2D·tan4θ+(D+H)·tan6θ≈2D·(2+4)θ+(D+H)·6θ （4）

N₄和A之间的距离为：

N₄A≈2D·(2+4+6)θ+(D+H)·8θ   （5）

当激光在光杠杆反射镜上有n次反射时，

N_n和A之间的距离为：

N_nA≈2D·[2+4+6+8+…+2(n-1)]θ+(D+H)·2nθ  （6）

多级光杠杆的放大倍数为：

η= N_nA ∕△L=n(n-1)·2D ∕d+2n·(D+H) ∕d  （7）

金属丝的微小伸长量：

△L= N_nA·d ∕[n(n-1)·2D+2n·(D+H)]   （8）

从公式（8）中可以知道，金属丝的微小伸长量与N_nA、d、n、D和H有关。

本发明的有益效果是：

不需要在望远镜中艰难的找到标尺像，更不需要在望远镜和模量仪之间来回跑动调节，仪器操作简捷，很快速的调节和测量实验。和一级光杠杆相比，激光能在光杠杆反射镜上进行多次反射，激光在光杠杆反射镜上每增加一次反射，反射光束就增加一个微小的偏转角，随着激光在光杠杆反射镜上反射次数的增加，极大的放大了金属丝的微小伸长量。

附图说明

图1是基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置。

图2是基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量原理图。

图中，1为支架，2为金属丝，3为上夹头，4为下夹头，5为光杠杆，6为工作平台，7为光杠杆反射镜，8为半反半透镜，9为激光器，10为带有刻度的光屏，11为杠杆支脚，12为刀口。

具体实施方式

如图1、图2所示的一种基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置，它包括支架1、金属丝2、光杠杆5、工作平台6、光杠杠反射镜7、半反半透镜8、激光器9和带有刻度的光屏10，所述的金属丝2的上端通过上夹头3连接在支架上，金属丝2的下端通过下夹头4连接砝码，其特征在于：所述的光杠杆5包括光杠杆反射镜7、杠杆支脚11和刀口12，光杠杆反射镜7与所述的工作平台6垂直，杠杆支脚11和刀口12等高，刀口12放在工作平台6上，杠杆支脚11连接在下夹头4上；所述的半反半透镜8和带有刻度的光屏10与工作平台6垂直；半反半透镜8、带有刻度的光屏10和光杠杆反射镜7的下端距离工作平台6等高；光杠杆反射镜7的长度比半反半透镜8的长度更长；带有刻度的光屏10的长度比光杠杆反射镜7的长度更长。

 测量方法如下：

 当没有放砝码时，打开激光器9，调节激光束出射激光的方向，使激光束的方向与工作平台6平行，激光束射在光杠杆反射镜7上，然后经过半反半透镜8，打在带有刻度的光屏10的最低端A。放置砝码后，金属丝2在砝码的拉力下发生了微小的伸长，通过光杠杆5带动光杠杆反射镜7发生一定角度的偏转，激光束将以不同的入射角在光杠杆反射镜7和半反半透镜8之间进行来回反射，激光束在光杠杆反射镜7上进行多次反射后最终会打在带有刻度的光屏10上，光屏10上激光亮点的数目表示激光在光杠杆反射镜7上反射的次数，记下每次增加砝码时光屏上激光亮点的数目和最高处亮点的刻度值，通过公式（8）可以得到金属丝此时的微小伸长量，通过进一步的计算可以得到金属丝的杨氏模量。

Claims (1)

1.一种基于多级光杠杆放大原理的杨氏模量测量装置，它包括支架（1）、金属丝（2）、光杠杆（5）、工作平台（6）、光杠杠反射镜（7）、半反半透镜（8）、激光器（9）和带有刻度的光屏（10），所述的金属丝（2）的上端通过上夹头（3）连接在支架上，金属丝（2）的下端通过下夹头（4）连接砝码，其特征在于：所述的光杠杆（5）包括光杠杆反射镜（7）、杠杆支脚（11）和刀口（12），光杠杆反射镜（7）与所述的工作平台（6）垂直，杠杆支脚（11）和刀口（12）等高，刀口（12）放在工作平台（6）上，杠杆支脚（11）连接在下夹头（4）上；所述的半反半透镜（8）和带有刻度的光屏（10）与工作平台（6）垂直；半反半透镜（8）、带有刻度的光屏（10）和光杠杆反射镜（7）的下端距离工作平台（6）等高；光杠杆反射镜（7）的长度比半反半透镜（8）的长度更长；带有刻度的光屏（10）的长度比光杠杆反射镜（7）的长度更长。

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