CN105319234A - 一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括基座，所述基座的一侧安装有开关按钮，所述基座的上端安装有待测柱，所述连接板远离底座的一端安装有光敏探测器，且光敏探测器的一端安装有条纹计数器，所述连接板与基座之间安装有线胀系数检测仪。本发明将实验装置在传统实验装置的基础上进行改进，将测量的实验数据、实验误差、实验结果与光杠杆法进行比较，结果表明：单缝衍射法实验操作简便，用单缝衍射法测量微小变化长度，测量方法有创新性，实验误差明显减小，测量精度显著提高，实验结果比较理想，满足综合性实验要求，是一种较好的实验方法，可作为学生的选修实验或综合性实验。

Description

一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，尤其涉及一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置。

背景技术

金属线胀系数的测量是普通物理实验中的一个重要内容，该实验的关键是如何精确测量金属棒随温度变化引起长度的微小变化.在目前普通高等学校实验教材中采用的传统实验方法是光杠杆法，虽然该方法也能够很好地测量出金属棒微小长度的变化，但由于光杠杆系统的调节难度较大，待测物理量较多，所以引入的实验误差较大。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置。

本发明提出的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，

一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括基座，所述基座的一侧安装有开关按钮，所述基座的上端安装有待测柱，所述待测柱的内腔安装有金属棒，所述待测柱远离基座的一端安装有连接板，所述连接板的一端穿插有温度计，且温度计的下侧位于待测柱的内腔，所述连接板的上端安装有底座，所述底座的内腔安装有传杆，且传杆通过螺母与连接板连接，所述传杆与金属棒位于一个水平线上，所述底座的上端安装有检测盒，且检测盒的内腔上下两端安装有固定片，所述检测盒内腔下端的固定片与传杆连接，所述检测盒内腔一侧设有孔洞，所述检测盒内腔远离孔洞的一端通过挂钩安装有激光笔，且激光笔的一侧安装有开关，所述连接板远离底座的一端安装有光敏探测器，且光敏探测器的一端安装有条纹计数器，所述条纹计数器远离光敏探测器的一端安装有探测头，且探测头与孔洞位于一个水平线上，所述连接板与基座之间安装有线胀系数检测仪，所述检测盒的内腔安装有控制器，所述控制器分别与条纹计数器、激光笔、光敏探测器和开关按钮电性连接。

优选地，所述检测盒的下端安装有勾脚，且检测盒通过勾脚与底座固定。

优选地，所述探测头通过电源线与光敏探测器电性连接，且光敏探测器与条纹计数器电性连接。

优选地，所述固定片两两为轴对称结构安装在检测盒的两端。

本发明中，利用光敏探测器、条纹计数器，可专门用于精确测量固体长度的微小变化，实验中采用激光笔作为光源替代原来的He-Ne激光器，利用两根挂钩将其悬挂在铝质金属盒中，单缝借助螺旋测微读数装置可以进行微调与读数，固定尖脚用于稳固整个微型实验装置，连接在单缝上的石英玻璃棒作为传杆与待测物体必须同轴，这样，当光束垂直入射到单缝的平面上时，调节缝宽，利用光敏探测器进行接收，替代原来的白屏，根据接收到的光强大小，判定衍射条纹的位移变化量，通过条纹计数器对其进行精确测量、实时记录，从而确定缝宽变化量。

附图说明

图1为本发明提出的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置结构示意图；

图2为为本发明提出的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置改进前结构示意图。

图中：1检测盒、2传杆、3探测头、4条纹计数器、5光敏探测器、6连接板、7线胀系数检测仪、8基座、9待测柱、10金属棒、11温度计、12开关、13激光笔、14挂钩、15固定片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括基座8，基座8的一侧安装有开关按钮，基座8的上端安装有待测柱9，待测柱9的内腔安装有金属棒10，待测柱9远离基座8的一端安装有连接板6，连接板6的一端穿插有温度计11，且温度计11的下侧位于待测柱9的内腔，连接板6的上端安装有底座，底座的内腔安装有传杆2，且传杆2通过螺母与连接板6连接，传杆2与金属棒10位于一个水平线上，底座的上端安装有检测盒1，且检测盒1的内腔上下两端安装有固定片15，检测盒1内腔下端的固定片15与传杆2连接，检测盒1内腔一侧设有孔洞，检测盒1内腔远离孔洞的一端通过挂钩14安装有激光笔13，且激光笔13的一侧安装有开关12，连接板6远离底座的一端安装有光敏探测器5，且光敏探测器5的一端安装有条纹计数器4，条纹计数器4远离光敏探测器5的一端安装有探测头3，且探测头3与孔洞位于一个水平线上，可专门用于精确测量固体长度的微小变化，实验中采用激光笔13作为光源替代原来的He-Ne激光器，利用两根挂钩14将其悬挂在铝质金属盒中，单缝借助螺旋测微读数装置可以进行微调与读数，固定尖脚用于稳固整个微型实验装置，连接在单缝上的石英玻璃棒作为传杆与待测物体必须同轴，这样，当光束垂直入射到单缝的平面上时，调节缝宽，利用光敏探测器5进行接收，替代原来的白屏，根据接收到的光强大小，判定衍射条纹的位移变化量，通过条纹计数器对其进行精确测量、实时记录，从而确定缝宽变化量，连接板6与基座8之间安装有线胀系数检测仪7，检测盒1的下端安装有勾脚，且检测盒1通过勾脚与底座固定，探测头3通过电源线与光敏探测器5电性连接，且光敏探测器5与条纹计数器4电性连接，固定片15两两为轴对称结构安装在检测盒1的两端。本发明将实验装置在传统实验装置的基础上进行改进，将测量的实验数据、实验误差、实验结果与光杠杆法进行比较，结果表明：单缝衍射法实验操作简便，用单缝衍射法测量微小变化长度，测量方法有创新性，实验误差明显减小，测量精度显著提高，实验结果比较理想，满足综合性实验要求，是一种较好的实验方法，可作为学生的选修实验或综合性实验。测量方法：设缝宽为b，衍射角为θ，P₀点为白屏的中心，单缝的中心到白屏的距离为L，波长为λ的平行光(He-Ne激光)垂直入射到宽度为b的单缝上，经过单缝后在白屏上得到一组明暗相间的衍射条纹.根据夫琅禾费单缝衍射

sinθ＝kλ/b(k＝±1,±2…)(1)

衍射角θ满足(1)时，P点就是暗条纹的中心位置，缝宽b与衍射角θ的正弦成反比，缝宽越小，各暗条纹中心所对应的衍射角越大。

对于每一级暗条纹中心都有： $b=\frac{k\mathrm{\λ}\sqrt{x^2+L^2}}{x}=k\mathrm{\λ}\sqrt{1+{\left(\frac{L}{x}\right)}^2},$ 对于远场(L>>x)有： ${\left(\frac{L}{x}\right)}^2>>1,$ 所以： $b\≈k\mathrm{\λ}\frac{L}{x}$ (k可任意取)，测量出第三级暗条纹中心到P₀的距离即可计算出缝宽b，设缝宽为b₁时，第三级暗条纹中心到P₀的距离为x₁，当缝宽减小为b₂时，第三级暗条纹中心到P₀的距离为x₂，则缝宽变化量：

$\mathrm{\Δ}b=b_1-b_2=k\mathrm{\λ}\frac{L}{x_1}-k\mathrm{\λ}\frac{L}{x_2}=3\mathrm{\λ}L(\frac{1}{x_1}-\frac{1}{x_2})---\left(2\right)$

设物体在温度t₁时的长度为l，温度升到t₂时，其长度增加δ，金属线胀系数公为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\δ}}{l(t_2-t_1)}---\left(3\right)$

在测量金属线胀系数时，以铜棒为例，让铜棒随温度变化引起长度的微小变化δ替代为缝宽b的变化，即：Δb＝δ，由缝宽b的变化引起白屏上暗条纹的变化，根据(3)，整理后得出：

$\mathrm{\α}=\frac{3\mathrm{\λ}L}{l(t_2-t_1)}(\frac{1}{x_1}-\frac{1}{x_2}).$

实验结果示例：实验时，采用波长λ＝632.8nm的He-Ne激光器作为光源，用米尺测量铜棒的长度l＝50.10cm(室温：22.0℃)，白屏至单缝的距离L＝150.00cm，加热线胀系数测定仪，让铜棒随温度变化引起长度的微小变化δ替代为缝宽b的变化,由缝宽b的变化引起白屏上暗条纹的变化，通过调节移测显微镜测量：温度为t₁时，第三级暗条纹中心到P₀的距离为x₁；温度为t₂时，第三级暗条纹中心到P₀的距离为x₂，采用两点法进行多次重复测量，数据记录如下表：

相对不确定度：

$u_r=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\α}\right)/\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}=0.74\%$

α值与本地公认值(16.8×10^-6℃^-1)相比较，相对误差：

$E=\frac{|16.29-16.8|}{16.8}\×100\%=3.03\%$

从测量结果可看出，单缝衍射法测量α值实验误差较小，实验结果比较理想。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，包括基座(8)，其特征在于，所述基座(8)的一侧安装有开关按钮，所述基座(8)的上端安装有待测柱(9)，所述待测柱(9)的内腔安装有金属棒(10)，所述待测柱(9)远离基座(8)的一端安装有连接板(6)，所述连接板(6)的一端穿插有温度计(11)，且温度计(11)的下侧位于待测柱(9)的内腔，所述连接板(6)的上端安装有底座，所述底座的内腔安装有传杆(2)，且传杆(2)通过螺母与连接板(6)连接，所述传杆(2)与金属棒(10)位于一个水平线上，所述底座的上端安装有检测盒(1)，且检测盒(1)的内腔上下两端安装有固定片(15)，所述检测盒(1)内腔下端的固定片(15)与传杆(2)连接，所述检测盒(1)内腔一侧设有孔洞，所述检测盒(1)内腔远离孔洞的一端通过挂钩(14)安装有激光笔(13)，且激光笔(13)的一侧安装有开关(12)，所述连接板(6)远离底座的一端安装有光敏探测器(5)，且光敏探测器(5)的一端安装有条纹计数器(4)，所述条纹计数器(4)远离光敏探测器(5)的一端安装有探测头(3)，且探测头(3)与孔洞位于一个水平线上，所述连接板(6)与基座(8)之间安装有线胀系数检测仪(7)，所述检测盒(1)的内腔安装有控制器，所述控制器分别与条纹计数器(4)、激光笔(13)、光敏探测器(5)和开关按钮电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，所述检测盒(1)的下端安装有勾脚，且检测盒(1)通过勾脚与底座固定。

3.根据权利要求1所述的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，所述探测头(3)通过电源线与光敏探测器(5)电性连接，且光敏探测器(5)与条纹计数器(4)电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种单缝衍射测量金属线膨胀系数的装置，其特征在于，所述固定片(15)两两为轴对称结构安装在检测盒(1)的两端。