CN107884433A - 一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，包括读数显微镜、半透半反镜、载物台、牛顿环仪、金属线胀系数测试仪、支架以及钠灯，牛顿环仪的平凸透镜可以通过钢丝垫高，金属管加热伸长，通过垫片以及钢丝将平凸透镜垫高，通过计算k级条纹的空气层厚度对应位置到平凸透镜底端所在平面的距离来推算金属管伸长长度ΔL。本发明实验平台搭建比较方便，光程短，观察的环形条纹比较清晰；测量精度达到纳米级，使得测量精度大大提高，减小误差；实验计算公式简便，计算数据也比较简洁。

Description

一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置

技术领域

本发明设计一种测量金属线胀系数的实验装置，特别涉及一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置。

背景技术

金属材料的线胀系数时机械、桥梁、电力、建筑等在工程设计、制造、装配等过程中必须掌握的基本参数，也是大学的普通物理实验中较重要的力、热实验题目之一。

目前，在大学的普通物理实验中，测量金属线胀系数的实验普遍采用的方法是光杠杆法，该方法的基本原理是利用电热丝加热带测金属管，采用温度计测量初态和终态温度，用望远镜和光杠杆测量金属管由始末状态温差引起的长度变化，从而得到金属管的线胀系数。该方法存在占用场地大、望远镜调节费时、测量精度不高，需两人才能完成，致使结果误差较大。

也有采用劳埃德镜并利用杨氏双缝干涉原理，测量条纹间距并计算双缝距离，从而推算出金属在一定温度下的伸长量。该方法测量现象直观、原理简单，操作过程简单，测量占用场地小的特点，但是由于本实验对光路要求较为严格，实验现象会模糊，这样对条纹间距的测量就造成了一定影响。

发明内容

发明目的：

针对上述问题，本发明提供一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置。

技术方案：

一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，包括显微镜、半透半反镜、载物台、牛顿环仪、金属线胀系数测试仪、支架以及钠灯，所述显微镜、半透半反镜以及载物台依次由上至下固定于所述支架上，所述金属线胀系数测试仪位于所述牛顿环仪下方，所述显微镜、半透半反镜、牛顿环仪以及金属线胀系数测试仪中心在同一直线上，所述金属线胀系数测试仪包括底座、外筒、加热管以及垫片，所述外筒垂直设置在底座的上端面，所述外筒上端面的中心处设有垫片槽，所述垫片槽的直径大于加热管的外径，所述加热管设置在外筒的内腔中，所述垫片设置在所述垫片槽中，所述牛顿环仪与所述金属线胀系数测试仪由若干钢丝连接，所述牛顿环仪由一块玻璃平板以及一块平凸透镜构成，所述平凸透镜半径大于所述玻璃平板，所述牛顿环仪包括一固定器，所述固定器下端有若干穿孔，所述穿孔与所述钢丝数量一致，所述钢丝穿过所述穿孔，一端连接在所述垫片上，另一端用于托起所述平凸透镜。

作为本发明的一种优选方式，所述加热管用于放置被测金属管，所述加热管加热时，所述被测金属管伸长，将所述平凸透镜垫高，通过计算k级条纹的空气层厚度对应位置到平凸透镜底端所在平面的距离来推算所述金属管伸长的长度ΔL。

作为本发明的一种优选方式，所述平凸透镜与所述玻璃平板接触的位置为初始位置，在所述金属管伸长后，所述平凸透镜被垫高，所述平凸透镜最底端与所述玻璃平板间的距离数值即为金属管伸长的长度ΔL的数值。

作为本发明的一种优选方式，所述金属线胀系数测试仪放置于所述载物台上，所述载物台设有测微螺旋，所述测微螺旋用于测量载物台移动距离以计算第k级圆环的半径。

还包括追踪仪，所述追踪仪用于追踪第k级圆环。

作为本发明的一种优选方式，所述牛顿环仪以及所述金属线胀系数测试仪固定在所述载物台上。

作为本发明的一种优选方式，所述显微镜为标线移动式显微镜，所述显微镜内设有十字叉丝。

作为本发明的一种优选方式，所述金属线胀系数测试仪还设置有温度计，所述温度计一端设置在被测金属管的内腔中，另一端露在被测金属管的上端面外。

作为本发明的一种优选方式，所述金属线胀系数测试仪还包括恒温腔，所述恒温腔用于加热完毕后对所述被测金属管进行恒温处理。

作为本发明的一种优选方式，所述钠灯设置有滤光片。

本发明实现以下有益效果：

1.本发明实验平台搭建比较方便，光程短，观察的环形条纹比较清晰。

2.本实验测量精度达到纳米级，使得测量精度大大提高，减小误差。

3.实验计算公式简便，计算数据也比较简洁。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并于说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本发明采用的实验装置示意图；

图2为本发明金属线胀系数测试仪剖面图；

图3为牛顿环仪与金属线胀系数测试仪连接的剖面图；

图4为牛顿环的第10级暗环左侧边与十字叉丝相切时的示意图；

图5为牛顿环的第10级暗环右侧边与十字叉丝相切时的示意图；

图6为玻璃平板在初始位置时的计算示意图；

图7为玻璃平板在被垫高ΔL之后的计算示意图；

图8为钠灯示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：

参考图为图1-7。一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，包括显微镜1、半透半反镜2、载物台3、牛顿环仪4、金属线胀系数测试仪5、支架6以及钠灯7，所述显微镜1、半透半反镜2以及载物台3依次由上至下固定于所述支架6上，所述金属线胀系数测试仪5位于所述牛顿环仪4下方，所述显微镜1、半透半反镜2、牛顿环仪4以及金属线胀系数测试仪5中心在同一直线上，所述金属线胀系数测试仪5包括底座5-1、外筒5-2、加热管5-3以及垫片5-4，所述外筒5-2垂直设置在底座5-1的上端面，所述外筒5-2上端面的中心处设有垫片槽5-5，所述垫片槽5-5的直径大于加热管5-3的外径，所述加热管5-3设置在外筒5-2的内腔中，所述垫片5-4设置在所述垫片槽5-5中，所述牛顿环仪4与所述金属线胀系数测试仪5由若干钢丝8连接，所述牛顿环仪4由一块玻璃平板9以及一块平凸透镜10构成，所述平凸透镜10半径大于所述玻璃平板9，所述牛顿环仪4包括一固定器11，所述固定器11下端有若干穿孔12，所述穿孔12与所述钢丝8数量一致，所述钢丝8穿过所述穿孔12，一端连接在所述垫片5-4上，另一端用于托起所述平凸透镜10。

所述加热管5-3用于放置被测金属管13，所述加热管5-3加热时，所述被测金属管13伸长，将所述平凸透镜10垫高，通过计算k级条纹的空气层厚度对应位置到平凸透镜10底端所在平面的距离来推算所述金属管伸长的长度ΔL。

所述平凸透镜10与所述玻璃平板9接触的位置为初始位置，在所述金属管伸长后，所述平凸透镜10被垫高，所述平凸透镜10最底端与所述玻璃平板9间的距离数值即为金属管伸长的长度ΔL的数值。

所述金属线胀系数测试仪5放置于所述载物台3上，所述载物台3设有测微螺旋14，所述测微螺旋14用于测量载物台3移动距离以计算第k级圆环的半径。

所述利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，还包括追踪仪15，所述追踪仪15用于追踪第k级圆环。

所述牛顿环仪4以及所述金属线胀系数测试仪5固定在所述载物台3上。

所述显微镜1为标线移动式显微镜，所述显微镜1内设有十字叉丝16。

在具体实施过程中，当所述实验装置搭建完毕后，将所述被测金属管13放置于所述加热管5-3内腔中，所述被测金属管13长度与所述加热管5-3内腔深度一致，当被测金属管13完全放入加热管5-3内腔中，将所述垫片5-4放入所述垫片槽5-5，利用所述钢丝8连接所述垫片5-4，所述钢丝8穿过所述穿孔11与所述平凸透镜10相接，其余实验装置按照顺序依次由上至下固定于所述支架6上。当实验装置搭建完毕后，连接电源，所述加热管5-3利用电加热对所述被测金属管13进行加热，所述被测金属管13受热膨胀，竖直方向上体现为所述被测金属管13伸长并将所述垫片5-4顶起，连带的，所述平凸透镜10被所述钢丝8托起，所述平凸透镜10被托起的高度即为所述被测金属管13竖直方向上伸长的长度ΔL的数值。

实验中，所述平凸透镜10的曲率半径为已知值R。

当所述平凸透镜10位于初始位置时，所述牛顿环仪4形成的牛顿环如图所示，假设选择第10级暗条纹构成的暗环，调整所述测微螺旋14移动所述载物台3；如图4，当所述牛顿环的第10级暗环左边与所述十字叉丝16相切时停止调整测微螺旋14，并读出所述测微螺旋14的读数，记为，之后将调整所述测微螺旋14将所述载物台3移动；如图5，当所述第10级暗环右侧边与所述十字叉丝16相切时停止调整所述测微螺旋14，并读出所述测微螺旋14的读数，记为；取直径d=|-|,并计算出所述第10级暗环的半径，利用勾股定理计算图6中的，并计算。当所述被测金属管13加热伸长时，所述平凸透镜10被托起，根据等厚干涉原理，在直观上牛顿环向内收缩，所述第10级暗环向内收缩，此时，利用所述追踪仪15追踪所述第10级暗环，所述追踪仪15利用CCD成像系统对所述第10级暗环进行追踪，所述追踪仪15连接于所述玻璃平板9，并提取所述玻璃平板9上呈现的牛顿环，所述CCD成像系统进行牛顿环的成像，并根据操作对所述第10级暗环对应的数字信号进行标记，便于对收缩后的第10级暗环进行测量。利用上述方法测得加热后第10级暗环的半径为，并利用勾股定理计算图7中，并计算。得出的值即为所述被测金属管13竖直方向上伸长的长度ΔL的数值。

实施例二：

参考图为图2、图8。所述金属线胀系数测试仪5还设置有温度计5-6，所述温度计5-6一端设置在被测金属管13的内腔中，另一端露在被测金属管13的上端面外。

所述金属线胀系数测试仪5还包括恒温腔5-7，所述恒温腔5-7用于加热完毕后对所述被测金属管13进行恒温处理。

所述钠灯7设置有滤光片17。

在具体实施过程中，所述温度计5-6用于监测所述被测金属管13的实时温度，以确保所述被测金属管13升高了固定的温度值。同时，所述金属线胀系数测试仪5还设置有恒温腔5-7，所述恒温腔5-7设置有温度传感器，所述温度传感器用于对所述被测金属管13的温度进行感知，所述温度传感器连有设置系统，通过设置系统可以对温度进行设定，设定的温度为加热的目标温度，当所述温度传感器感知所述被测金属管13温度低于设定温度时，控制所述恒温腔进行设定温度的恒温加热，控制所述被测金属管13的温度不超过加热的目标温度。

实验一般采用低压钠灯，钠灯光集中于波长为589.0nm和589.6nm的两条双D谱线上，不同波长对牛顿环成像会造成一定影响，使得牛顿环成像时暗环与亮环的界限变得模糊，因此在所述钠灯7出光口安装滤光片17，所述滤光片17过滤波长为589.0nm的光谱，减少系统上的误差。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，包括显微镜、半透半反镜、载物台、牛顿环仪、金属线胀系数测试仪、支架以及钠灯，所述显微镜、半透半反镜以及载物台依次由上至下固定于所述支架上，所述金属线胀系数测试仪位于所述牛顿环仪下方，所述显微镜、半透半反镜、牛顿环仪以及金属线胀系数测试仪中心在同一直线上，所述金属线胀系数测试仪包括底座、外筒、加热管以及垫片，所述外筒垂直设置在底座的上端面，所述外筒上端面的中心处设有垫片槽，所述垫片槽的直径大于加热管的外径，所述加热管设置在外筒的内腔中，所述垫片设置在所述垫片槽中，其特征在于：所述牛顿环仪与所述金属线胀系数测试仪由若干钢丝连接，所述牛顿环仪由一块玻璃平板以及一块平凸透镜构成，所述平凸透镜半径大于所述玻璃平板，所述牛顿环仪包括一固定器，所述固定器下端有若干穿孔，所述穿孔与所述钢丝数量一致，所述钢丝穿过所述穿孔，一端连接在所述垫片上，另一端用于托起所述平凸透镜。

2.根据权利要求1所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述加热管用于放置被测金属管，所述加热管加热时，所述被测金属管伸长，将所述平凸透镜垫高，通过计算k级条纹的空气层厚度对应位置到平凸透镜底端所在平面的距离来推算所述金属管伸长的长度ΔL。

3.根据权利要求2所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述平凸透镜与所述玻璃平板接触的位置为初始位置，在所述金属管伸长后，所述平凸透镜被垫高，所述平凸透镜最底端与所述玻璃平板间的距离数值即为金属管伸长的长度ΔL的数值。

4.根据权利要求1所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述金属线胀系数测试仪放置于所述载物台上，所述载物台设有测微螺旋，所述测微螺旋用于测量载物台移动距离以计算第k级圆环的半径。

5.根据权利要求4所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：还包括追踪仪，所述追踪仪用于追踪第k级圆环。

6.根据权利要求5所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述牛顿环仪以及所述金属线胀系数测试仪固定在所述载物台上。

7.根据权利要求1所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述显微镜为标线移动式显微镜，所述显微镜内设有十字叉丝。

8.根据权利要求1所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述金属线胀系数测试仪还设置有温度计，所述温度计一端设置在被测金属管的内腔中，另一端露在被测金属管的上端面外。

9.根据权利要求8所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述金属线胀系数测试仪还包括恒温腔，所述恒温腔用于加热完毕后对所述被测金属管进行恒温处理。

10.根据权利要求1所述的一种利用牛顿环仪测量金属线胀系数的实验装置，其特征在于：所述钠灯设置有滤光片。