CN110146541A - 一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，包括激光器（1），与所述的激光器（1）相配有观测装置（2），在所述激光器（1）和观测装置（2）之间设置有双缝装置（3）。同时本申请还公开了利用该装置进行材料热膨胀系数测量的方法。它针对传统的材料热膨胀系数测量方法所存在的种种问题，设计出一种用可变双缝间距的杨氏双缝干涉法测量微小形变量的实验装置，其操作简单，调节方便，省去了传统方法或结构中各种参数的间接转化，减少了误差的来源，同时它所需要读取的参数并不需要采用望远镜观测，更加直接和准确。它的特殊结构决定了在测量的过程中，供光线通过以产生干涉条纹的缝隙中无任何遮挡物，保证了投射在观测屏装置上的干涉条纹清晰。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料热膨胀系数的检测装置，特别是一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，以及利用这种装置进行材料热膨胀系数的方法。
背景技术
物体的体积或长度随温度的升高而增大的现象称为热膨胀,热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的热稳定性好坏的一个重要指标。热膨胀系数的测量也是大学物理实验中经典实验之一。
测量固体材料热膨胀系数的方法有很多，现有技术中热膨胀系数的测量主要有：光学法、电测法和机械法等。在一些测试、特别是大学物理实验中，现有的热膨胀系数测量方法主要是光杠杆法。光杠杆的测量装置主要由读数望远镜、米尺、固体线膨胀系数测试仪、铜棒、光杠杆、温度计等构成。测量过程中通过调节使得观测者能够从望远镜中清晰的看到标尺的像，然后逐渐升高温度使金属棒受热膨胀，通过金属棒伸长的微小长度、小反射平面镜转过的角度及望远镜像中标尺读数差的关系得到金属棒的热膨胀系数。该测量方法和装置存在以下的缺点：它是将微小的长度变化通过光杠杆法进行放大后进行测定，因此通过望远镜看平面镜中标尺像时会出现像难以调节的问题；传统的测量中，是将非竖直平面的光路近似看成是同一竖直平面的光路，存在一定的误差；标尺的读数是通过望远镜观测到的，观察时会产生视觉差，标尺的精确度较低。。因此，现在需要一种能够解决上述问题的装置或方法来准确测量金属棒的热膨胀系数。
发明内容
本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出了一种结构简单，设计巧妙，工艺简单，制造成本低廉、误差小的利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，同时还提出一种利用该装置进行材料热膨胀系数测量的方法。
本发明的技术解决方案是：一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，其特征在于：所述的装置包括激光器1，与所述的激光器1相配有观测装置2，在所述激光器1和观测装置2之间设置有双缝装置3，
所述的双缝装置3包括壳体4，所述壳体4内设置有加热筒5，加热筒5的夹层中设置有电阻丝6，在加热筒5内设置有待测金属棒7，待测金属棒7的顶端设置有绝热连接机构8，所述的双缝装置3还包括相互滑动连接的上壳体9和下壳体10两部分，其中上壳体9的底部连接有上壳体滑块11，所述上壳体滑块11与上壳体9之间为上缝隙12，下壳体10的上部连接有下壳体滑块13，所述下壳体滑块13与下壳体10之间为下缝隙14，所述上壳体滑块11与下壳体滑块13之间滑动连接，所述上壳体9通过支架与壳体4相连，在壳体4还内设置有温度传感器15，所述温度传感器15与待测金属棒7接触，并且温度传感器15还通过导线与温度测控仪16相连，
所述的绝热连接机构8包括一个由绝热材料制成的框架21，框架21的一端设置有与待测金属棒7的端部相匹配的连接套22，在框架21内滑动连接有支撑架23，所述支撑架23上螺纹连接有锁紧螺栓24，所述支撑架23的顶端与下壳体10相连，
所述的观测装置2包括遮光筒17，遮光筒17的末端设置有光信号接受屏18，在光信号接受屏18上设置有CCD数据处理模块19，所述的温度测控仪16和CCD数据处理模块19均通过导线与计算机20相连。
一种利用如上所述的装置测量材料热膨胀系数的方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤依次进行：
a、首先将待测金属棒7置于壳体4的加热筒5中，所选取待测金属棒7的长度为L、直径为d，并将绝热连接机构8底端的连接套22套接在待测金属棒7的顶端，
b、调节绝热连接件8，驱动支撑架23在框架21内滑动，改变支撑架23与框架21之间的相对位置，然后利用锁紧螺栓24将支撑架23与框架21之间固定，通过调节上壳体9与下壳体10之间相对位置的方式，来调节两个缝隙之间的间距为b，假设待测金属棒7受热后，其热膨胀变化量为ΔL，双缝装置3距离光信号接受屏18之间的距离为D，然后启动激光器1，激光器1产生的激光经过双缝装置3后，进入遮光筒12，并最终在光信号接受屏18上产生干涉条纹，光信号接受屏18在CCD数据处理模块19的作用下，将光信号转化为电信号，并在计算机20的显示屏上显示光强分布曲线，
c、然后控制电阻丝6通电，对待测金属棒7进行加热，待测金属棒7受热后发生膨胀，其长度的变化量为ΔL，待测金属棒7带动其顶端的连接套22以及与连接套22固定连接的下壳体10部分向上运动，上述运动最终会导致上缝隙12和下缝隙14之间的距离缩短，但二者自身的宽度保持不变，此时上缝隙12和下缝隙14之间距离的变化量为Δb，
d、CCD数据处理模块19对光信号进行处理，并在计算机20的显示屏上显示光强分布曲线，选定同一侧的条纹级数m、n，记录此时温度 T1和峰值坐标及条纹间距，选取的温度梯度为T，记录温度T2以及峰值坐标及条纹间距，
e、当膨胀系数1<α<=5时，选取的温度梯度在10度<=T<15度之间；当膨胀系数5<α<=10时，选取的温度梯度在8度<=T<10度；当膨胀系数10<α<=20时，选取的温度梯度6度<=T<8度；当膨胀系数20<α<=30时，选取的温度梯度在4度<=T<6度；当膨胀系数α>30时，选取的温度梯度在2度<=T<4度,
f、激光器1产生的激光的波长为λ，将上述的Δb、D、ΔL、T1、T2、m、n、λ和、代入公式：
，
计算出待测金属棒的热膨胀系数。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
本种结构形式的测量金属棒热膨胀系数的装置，其结构简单，设计巧妙，布局合理，而利用该装置进行金属棒热膨胀系数测量的方法，则针对传统的材料热膨胀系数测量方法所存在的种种问题，配合这用干涉方法测量微小形变量的实验装置，其操作简单，调节方便，省去了传统方法或结构中各种参数的间接转化，减少了误差的来源，同时它所需要读取的参数并不需要采用望远镜观测，更加直接和准确。它的特殊结构决定了在测量的过程中，供光线通过以产生干涉条纹的缝隙后通过黑色遮光筒后，保证了投射在观测屏装置上的干涉条纹清晰。并且本装置采用的可变间距的杨氏双缝加热系统,利用本装置，能够便捷、快速、准确的测算出某个金属棒的热膨胀系数，该装置和方法特别适合于在高等院校大学物理实验中的综合性设计性实验，其市场前景十分广阔。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中绝热连接机构部分的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1、图2所示：一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，包括激光器1，与所述的激光器1相配有观测装置2，在所述激光器1和观测装置2之间设置有双缝装置3，
所述的双缝装置3包括壳体4，所述壳体4内设置有加热筒5，加热筒5的夹层中设置有电阻丝6，在加热筒5内设置有待测金属棒7，待测金属棒7的顶端设置有绝热连接机构8，所述的双缝装置3还包括相互滑动连接的上壳体9和下壳体10两部分，其中上壳体9的底部连接有上壳体滑块11，所述上壳体滑块11与上壳体9之间为上缝隙12，下壳体10的上部连接有下壳体滑块13，所述下壳体滑块13与下壳体10之间为下缝隙14，所述上壳体滑块11与下壳体滑块13之间滑动连接，所述上壳体9通过支架与壳体4相连，在壳体4还内设置有温度传感器15，所述温度传感器15与待测金属棒7接触，并且温度传感器15还通过导线与温度测控仪16相连，
所述的观测装置2包括遮光筒17，遮光筒17的末端设置有光信号接受屏18，在光信号接受屏18上设置有CCD数据处理模块19，所述的温度测控仪16和CCD数据处理模块19均通过导线与计算机20相连。
所述的绝热连接机构8包括一个由绝热材料制成的框架21，框架21的一端设置有与待测金属棒7的端部相匹配的连接套22，在框架21内滑动连接有支撑架23，所述支撑架23上螺纹连接有锁紧螺栓24，所述支撑架23的顶端与下壳体10相连。
本发明实施例的利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置的工作过程如下：首先将待测金属棒7置于壳体4的加热筒5中，所选取待测金属棒7的长度为L、直径为d，并将绝热连接机构8底端的连接套22套接在待测金属棒7的顶端，
然后根据需要的双缝隙之间的间距，来调节绝热连接机构8，具体调节过程如下：驱动支撑架23在框架21内滑动，改变支撑架23与框架21之间的相对位置，然后利用锁紧螺栓24将支撑架23与框架21之间固定，需要注意，所述的上缝隙12和下缝隙14的宽度，既要有利于测量，又要保证上壳体滑块11与下壳体滑块13在滑动过程中不会完全分离，通过调节上壳体9与下壳体10之间相对位置的方式，来调节两个缝隙之间的间距为b，假设待测金属棒7受热后，其热膨胀变化量为ΔL，双缝装置3距离光信号接受屏18之间的距离为D；
启动激光器1，激光器1产生的激光经过双缝装置3后，具体说是经过双缝装置3上的两条缝隙之后，进入遮光筒12，并最终在光信号接受屏18上产生干涉条纹，光信号接受屏18在CCD数据处理模块19的作用下，将光信号转化为电信号，并在计算机20的显示屏上显示光强分布曲线；
然后控制电阻丝6通电，对待测金属棒7进行加热，待测金属棒7受热后会发生膨胀，其长度的变化量为ΔL，由于待测金属棒7的底端固定在加热筒5内，因此待测金属棒7受热变形后，会带动其顶端的连接套22以及与连接套22固定连接的下壳体10部分向上运动，由于上壳体9固定支撑在壳体4上，因此上述运动最终会导致上缝隙12和下缝隙14之间的距离缩短，但二者自身的宽度保持不变；此时上缝隙12和下缝隙14之间距离的变化量为Δb；
CCD数据处理模块19对光信号进行处理，并在计算机20的显示屏上显示光强分布曲线，选定同一侧的条纹级数m、n，记录此时温度T1和峰值坐标及条纹间距，选取的温度梯度为T，记录温度T2以及峰值坐标及条纹间距，
当膨胀系数1<α<=5时，选取的温度梯度在10度<=T<15度之间；当膨胀系数5<α<=10时，选取的温度梯度在8度<=T<10度；当膨胀系数10<α<=20时，选取的温度梯度6度<=T<8度；当膨胀系数20<α<=30时，选取的温度梯度在4度<=T<6度；当膨胀系数α>30时，选取的温度梯度在2度<=T<4度；
当发生干涉时，对第k级亮条纹有：
由公式得
= (为双缝间距的缩小量为固体材料的膨胀量)
在温度T1和T2时材料的长度分别为L1和L2，在温度变化不太高的情况下，L1和L2近似相等基本可以看成L。激光器1产生的激光的波长为λ，将上述的Δb、D、ΔL、T1、T2、m、n、λ和、代入公式，则该温度范围内对应的热膨胀系数为：
得到
(注：是为原长)
将上述D、T1、T2、m、n、λ和、、Δb代入公式：通过计算便可以得到待测金属棒的热膨胀系数。
Claims (2)
1.一种利用双缝干涉测材料热膨胀系数的装置，其特征在于：所述的装置包括激光器（1），与所述的激光器（1）相配有观测装置（2），在所述激光器（1）和观测装置（2）之间设置有双缝装置（3），
所述的双缝装置（3）包括壳体（4），所述壳体（4）内设置有加热筒（5），加热筒（5）的夹层中设置有电阻丝（6），在加热筒（5）内设置有待测金属棒（7），待测金属棒（7）的顶端设置有绝热连接机构（8），所述的双缝装置（3）还包括相互滑动连接的上壳体（9）和下壳体（10）两部分，其中上壳体（9）的底部连接有上壳体滑块（11），所述上壳体滑块（11）与上壳体（9）之间为上缝隙（12），下壳体（10）的上部连接有下壳体滑块（13），所述下壳体滑块（13）与下壳体（10）之间为下缝隙（14），所述上壳体滑块（11）与下壳体滑块（13）之间滑动连接，所述上壳体（9）通过支架与壳体（4）相连，在壳体（4）还内设置有温度传感器（15），所述温度传感器（15）与待测金属棒（7）接触，并且温度传感器（15）还通过导线与温度测控仪（16）相连，
所述的绝热连接机构（8）包括一个由绝热材料制成的框架（21），框架（21）的一端设置有与待测金属棒（7）的端部相匹配的连接套（22），在框架（21）内滑动连接有支撑架（23），所述支撑架（23）上螺纹连接有锁紧螺栓（24），所述支撑架（23）的顶端与下壳体（10）相连，
所述的观测装置（2）包括遮光筒（17），遮光筒（17）的末端设置有光信号接受屏（18），在光信号接受屏（18）上设置有CCD数据处理模块（19），所述的温度测控仪（16）和CCD数据处理模块（19）均通过导线与计算机（20）相连。
2.一种利用如权利要求1所述的装置测量材料热膨胀系数的方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤依次进行：
首先将待测金属棒（7）置于壳体（4）的加热筒（5）中，所选取待测金属棒（7）的长度为L、直径为d，并将绝热连接机构（8）底端的连接套（22）套接在待测金属棒（7）的顶端，
调节绝热连接件（8），驱动支撑架（23）在框架（21）内滑动，改变支撑架（23）与框架（21）之间的相对位置，然后利用锁紧螺栓（24）将支撑架（23）与框架（21）之间固定，通过调节上壳体（9）与下壳体（10）之间相对位置的方式，来调节两个缝隙之间的间距为b，假设待测金属棒（7）受热后，其热膨胀变化量为ΔL，双缝装置（3）距离光信号接受屏（18）之间的距离为D，然后启动激光器（1），激光器（1）产生的激光经过双缝装置（3）后，进入遮光筒（12），并最终在光信号接受屏（18）上产生干涉条纹，光信号接受屏（18）在CCD数据处理模块（19）的作用下，将光信号转化为电信号，并在计算机（20）的显示屏上显示光强分布曲线，
然后控制电阻丝（6）通电，对待测金属棒（7）进行加热，待测金属棒（7）受热后发生膨胀，其长度的变化量为ΔL，待测金属棒（7）带动其顶端的连接套（22）以及与连接套（22）固定连接的下壳体（10）部分向上运动，上述运动最终会导致上缝隙（12）和下缝隙（14）之间的距离缩短，但二者自身的宽度保持不变，此时上缝隙（12）和下缝隙（14）之间距离的变化量为Δb，
CCD数据处理模块（19）对光信号进行处理，并在计算机（20）的显示屏上显示光强分布曲线，选定同一侧的条纹级数m、n，记录此时温度 T1和峰值坐标及条纹间距，选取的温度梯度为T，记录温度T2以及峰值坐标及条纹间距，
当膨胀系数1<α<=5时，选取的温度梯度在10度<=T<15度之间；当膨胀系数5<α<=10时，选取的温度梯度在8度<=T<10度；当膨胀系数10<α<=20时，选取的温度梯度6度<=T<8度；当膨胀系数20<α<=30时，选取的温度梯度在4度<=T<6度；当膨胀系数α>30时，选取的温度梯度在2度<=T<4度,
f、激光器（1）产生的激光的波长为λ，将上述的、D、、T1、T2、m、n、λ和、代入公式：
，
计算出待测金属棒的热膨胀系数。
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