CN112284917B - 利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置及方法 - Google Patents

利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，包括左侧光源、测量装置以及右侧光屏，所述测量装置包括单缝A、单缝B、挡板、螺旋测微器和金属丝，所述单缝A和单缝B的宽度相等，且单缝B放置在单缝A的上端，挡板与金属丝固定，且挡板位于单缝A和单缝B的中间，挡板的下边缘与单缝A的上边缘平行，单缝A的下边缘与螺旋测微器相连且跟随螺旋测微器移动。本发明还提出了一种基于上述装置的测量方法。本发明利用单缝衍射的条纹特点，在同一竖直方向上宽度相同的多条单缝，在接收屏上的衍射图样相同。还利用光的直线传播，采用遮挡技术来改变通光单缝的宽度，测定出金属丝的微小形变量，巧妙的利用了光放大原理。

Description

利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置及方法
技术领域
本发明涉及力学装置技术领域，特别涉及一种利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，还涉及一种利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的方法。
背景技术
《用拉伸法测金属丝的杨氏模量》是大学物理实验教学中的一个经典力学实验范例，主要是采用静态拉伸法，用光杠杆装置来测量微小形变量，从而测定金属丝的杨氏模量。利用光杠杆测量金属丝的杨氏模量较为常见。但该方法存在以下缺点：1)光杠杆装置繁杂，占地面积大；2)光路调节复杂，由于望远镜到反射镜距离较远，使得在望远镜中调出标尺的清晰刻度变得困难；3)读数时抖动明显，拉伸架上的金属丝总长度达到一米多，最下端的托盘放上砝码后，摆动明显，很难彻底静止下来，干扰望远镜端的读数；4)测量精确度较低，标尺的最小刻度仅到毫米，使得对金属丝伸长量的测量精度无法进一步提高。
在光学实验中，最为困难的是仪器的调节和使用，以及如何将条纹清晰的展现在光屏上。只有将仪器的位置摆放准确，高度协调，角度合适，才能在显示屏上呈现清晰可见的图像，以完成课堂实验要求。而我们做实验时，常常会因为仪器的位置，角度寻找困难。因此，需要一种装置解决如何方便、快捷、精确地测量金属丝的微小形量。
发明内容
本发明提出一种利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置及方法，解决了现有技术中杨氏模量测量精确度低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，包括左侧光源、测量装置以及右侧光屏，所述测量装置包括单缝A、单缝B、挡板、螺旋测微器和金属丝，所述单缝A和单缝B的宽度相等，且单缝B放置在单缝A的上端，挡板与金属丝固定，且挡板位于单缝A和单缝B的中间，挡板的下边缘与单缝A的上边缘平行，单缝A的下边缘与螺旋测微器相连且跟随螺旋测微器移动。
可选地，所述光源为面光源。
可选地，所述金属丝下端连接托盘。
可选地，所述螺旋测微器还包括调节装置，所述调节装置包括固定尺架和可活动尺架，所述可活动尺架内部贯穿有刻度杆，且刻度杆一端处于可活动尺架外侧，所述刻度杆端部固定有第二粗调旋钮，且可活动尺架和刻度杆通过第二粗调旋钮螺纹连接，远离所述第二粗调旋钮的刻度杆的端部设有螺纹孔，且螺纹孔位于固定尺架内部，且刻度杆端部和螺纹孔螺纹连接，且固定尺架端部和可活动尺架端部相抵。
可选地，所述固定尺架顶部设有测量螺杆，且测量螺杆贯穿固定尺架内部，且测量螺杆和固定尺架内部活动连接。
可选地，所述可活动尺架表面设有支撑柱，且支撑柱的顶部和固定尺架顶部在同一水平线上，且支撑柱和可活动尺架固定连接，所述支撑柱内壁固定有测毡，且测毡和测量螺杆的直径相等，且测毡和测量螺杆的端部相抵。
可选地，所述测量螺杆表面套接有可动刻度，且可动刻度和测量螺杆表面活动连接，靠近所述可动刻度的测量螺杆表面套接有固定刻度，且固定刻度和测量螺杆固定连接，所述固定刻度表面设有第一粗调旋钮活动连接，且第一粗调旋钮和测量螺杆螺纹连接。
可选地，远离所述固定尺架的测量螺杆的端部设有微调旋钮，且微调旋钮和测量螺杆固定连接。
可选地，所述刻度杆表面的刻度和固定刻度的刻度精度相同，且第一粗调旋钮和第二粗调旋钮的调节精度相等。
本发明还提供了一种基于上述装置的方法，包括以下步骤：
左侧光源开启，左侧光源发射的光传播到测量装置；
测量装置中单缝A和单缝B的衍射图样先分离后重合，得到单缝A的宽度变化量，即金属丝的拉伸长度变化量；
单缝A和单缝B的衍射图样的变化在右侧光屏显示。
可选地，所述测量装置中单缝A和单缝B的衍射图样先分离后重合，具体包括以下步骤：
(1)托盘增加重物，金属丝被拉长从而带动挡板下移，此时单缝A的上部被挡板遮挡且单缝A的通光宽度发生变化，同时光屏上的衍射图像随之发生变化；单缝B保持初始宽度不变，单缝B的衍射图样在光屏上没有变化，此时单缝A和单缝B的衍射图样发生分离；
(2)记录螺旋测微器的初始数值，然后调节螺旋测微器使单缝A下端下移，增大单缝A的通光部分的宽度，直至光屏上单缝A和单缝B的衍射图像再次重合，再次读取螺旋测微器上的示数，计算出因为挡板下移的距离引起的单缝A宽度的变化量，即待测金属丝因拉伸引起的长度变化量。
本发明的有益效果是：
1、本发明光路简单、占空间较小，单缝衍射操作简单，成本较低，测量精度高。
2、本发明利用单缝衍射的条纹特点，在同一竖直方向上宽度相同的多条单缝，在接收屏上的衍射图样相同；还利用光的直线传播，采用遮挡技术来改变通光单缝的宽度，测定出金属丝的微小形变量，巧妙的利用了光放大原理。
3、本发明通过螺旋测微器读数，直接算出金属丝的微小形变量，数据可准确读到0.01毫米，大大提高了测量的精确度；金属丝受重物向下拉力的作用使单缝的宽度被遮挡从而引起条纹的变化，所以金属丝的左右抖动对测量结果影响较小，从而大大减小了测量误差；其调节装置采用固定尺架和可活动尺架相结合，在可活动尺架内部设置刻度杆和粗调旋钮，可以使测毡可以左右移动，并且配合测量螺杆的左右移动，可以加大测毡和测量螺杆之间的间距，可以保证测量精度。
4、本发明采用光放大原理，操作简单，成本较低，测量精确度高，具有广泛推广的价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置示意图；
图2为本发明螺旋测微器中调节装置的轴测图；
图3为本发明螺旋测微器中调节装置的正视图；
图4为本发明螺旋测微器中调节装置的剖视图；
附图标记：
1.左侧光源，2.单缝A，3.螺旋测微器，4.挡板，5.金属丝，6.右侧光屏，7.微调旋钮，8.第一粗调旋钮，9.可动刻度，10.固定刻度，11.测量螺杆，12.测毡，13.支撑柱，14.第二粗调旋钮，15.可活动尺架，16.刻度杆，17.固定尺架，18.螺纹孔。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置的一个实施例，包括左侧光源1、测量装置以及右侧光屏6，所述测量装置包括单缝A 2、单缝B、挡板4、螺旋测微器3和金属丝5，所述单缝A 2和单缝B的宽度相等，且单缝B放置在单缝A 2的上端，挡板4与金属丝5固定，且挡板4位于单缝A 2和单缝B的中间，挡板4的下边缘与单缝A 2的上边缘平行，单缝A 2的下边缘与螺旋测微器3相连且跟随螺旋测微器3移动。
可选地，所述左侧光源为面光源。
可选地，所述金属丝5下端连接托盘。
图2-4示出了本发明中螺旋测微器的一个实施例。
在该实施例中，所述螺旋测微器3还包括调节装置，所述调节装置包括固定尺架17和可活动尺架15，所述可活动尺架15内部贯穿有刻度杆16，且刻度杆16一端处于可活动尺架15外侧，所述刻度杆16端部固定有第二粗调旋钮14，且可活动尺架15和刻度杆16通过第二粗调旋钮14螺纹连接，远离所述第二粗调旋钮14的刻度杆16的端部设有螺纹孔18，且螺纹孔18位于固定尺架17内部，且刻度杆16端部和螺纹孔18螺纹连接，且固定尺架17端部和可活动尺架15端部相抵。
可选地，所述固定尺架17顶部设有测量螺杆11，且测量螺杆11贯穿固定尺架17内部，且测量螺杆11和固定尺架17内部活动连接。
可选地，所述可活动尺架15表面设有支撑柱13，且支撑柱13的顶部和固定尺架17顶部在同一水平线上，且支撑柱13和可活动尺架15固定连接，所述支撑柱13内壁固定有测毡12，且测毡12和测量螺杆11的直径相等，且测毡12和测量螺杆11的端部相抵。
可选地，所述测量螺杆11表面套接有可动刻度9，且可动刻度9和测量螺杆11表面活动连接，靠近所述可动刻度9的测量螺杆11表面套接有固定刻度10，且固定刻度10和测量螺杆11固定连接，所述固定刻度10表面设有第一粗调旋8钮活动连接，且第一粗调旋钮8和测量螺杆11螺纹连接。
可选地，远离所述固定尺架17的测量螺杆11的端部设有微调旋钮7，且微调旋钮7和测量螺杆11固定连接。
可选地，所述刻度杆16表面的刻度和固定刻度10的刻度精度相同，且第一粗调旋钮8和第二粗调旋钮14的调节精度相等。
本螺旋测微器3调节装置的工作原理：测量螺杆11在螺母中旋转一周，测量螺杆11便沿着旋转轴线方向前进或后退一个螺距的距离，就可以沿测量螺杆11轴线方向移动的微小距离，并且通过圆周上的读数表示出来，螺旋测微器3的精密螺纹的螺距是0.5mm，可动刻度9有50个等分刻度，可动刻度9旋转一周，测量螺杆11可前进或后退0.5mm，因此旋转每个小分度，相当于测微螺杆前进或后退0.01mm，测量时，当测砧12和测量螺杆11相抵时，可动刻度9的零点若恰好与固定刻度10的零点重合，先通过第一粗调旋钮2旋出测微螺杆，并使测毡12和测量螺杆11的面靠近待测长度的两端，再调节微调旋钮7，使测毡12和测量螺杆11的面正好接触待测长度的两端，那么测量螺杆11向右移动的距离就是所测的长度，这个间距的整毫米数由固定刻度10上读出，小数部分则由可动刻度9读出。在出现螺旋测微器3最大间距不满足待测物体时，采用固定尺架17和可活动尺架15相结合，在可活动尺架15内部设置刻度杆16和粗调旋钮，通过第二粗调旋钮14可以使测毡12可以左右移动，并且配合测量螺杆11的左右移动，可以加大测毡12和测量螺杆11之间的间距，既可以保证精度也可以测量较大物体，最终待测物体的间距等于刻度杆16、固定刻度10和可动刻度9之和。
本发明提供了一种基于上述装置的方法，包括以下步骤：
左侧光源1开启，左侧光源1发射的光传播到测量装置；
测量装置中单缝A 2和单缝B的衍射图样先分离后重合，得到单缝A 2的宽度变化量，即金属丝5的拉伸长度变化量；
单缝A 2和单缝B的衍射图样的变化在右侧光屏6显示。
可选地，所述测量装置中单缝A 2和单缝B的衍射图样先分离后重合，具体包括以下步骤：
(1)托盘增加重物，金属丝5被拉长从而带动挡板4下移，此时单缝A 2的上部被挡板4遮挡且单缝A 2的通光宽度发生变化，同时光屏6上的衍射图像随之发生变化；单缝B保持初始宽度不变，单缝B的衍射图样在光屏6上没有变化，此时单缝A 2和单缝B的衍射图样发生分离；
(2)记录螺旋测微器3的初始数值，然后调节螺旋测微器3使单缝A 2下端下移，增大单缝A 2的通光部分的宽度，直至光屏6上单缝A 2和单缝B的衍射图像再次重合，再次读取螺旋测微器3上的示数，计算出因为挡板4下移的距离引起的单缝A 2宽度的变化量，即待测金属丝5因拉伸引起的长度变化量，利用公式计算出金属丝的杨氏模量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
包括左侧光源、测量装置以及右侧光屏，所述测量装置包括单缝A、单缝B、挡板、螺旋测微器和金属丝，所述单缝A和单缝B的宽度相等，且单缝B放置在单缝A的上端，挡板与金属丝固定，且挡板位于单缝A和单缝B的中间，挡板的下边缘与单缝A的上边缘平行，单缝A的下边缘与螺旋测微器相连且跟随螺旋测微器移动；
所述金属丝下端连接托盘。
2.如权利要求1所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
所述光源为面光源。
3.如权利要求1所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
所述螺旋测微器还包括调节装置，所述调节装置包括固定尺架和可活动尺架，所述可活动尺架内部贯穿有刻度杆，且刻度杆一端处于可活动尺架外侧，所述刻度杆端部固定有第二粗调旋钮，且可活动尺架和刻度杆通过第二粗调旋钮螺纹连接，远离所述第二粗调旋钮的刻度杆的端部设有螺纹孔，且螺纹孔位于固定尺架内部，且刻度杆端部和螺纹孔螺纹连接，且固定尺架端部和可活动尺架端部相抵。
4.如权利要求3所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
所述固定尺架顶部设有测量螺杆，且测量螺杆贯穿固定尺架内部，且测量螺杆和固定尺架内部活动连接。
5.如权利要求3所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
所述可活动尺架表面设有支撑柱，且支撑柱的顶部和固定尺架顶部在同一水平线上，且支撑柱和可活动尺架固定连接，所述支撑柱内壁固定有测毡，且测毡和测量螺杆的直径相等，且测毡和测量螺杆的端部相抵。
6.如权利要求4所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
所述测量螺杆表面套接有可动刻度，且可动刻度和测量螺杆表面活动连接，靠近所述可动刻度的测量螺杆表面套接有固定刻度，且固定刻度和测量螺杆固定连接，所述固定刻度表面设有第一粗调旋钮活动连接，且第一粗调旋钮和测量螺杆螺纹连接。
7.如权利要求4所述的利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的装置，其特征在于，
远离所述固定尺架的测量螺杆的端部设有微调旋钮，且微调旋钮和测量螺杆固定连接。
8.利用光的衍射测量金属丝杨氏模量的方法，基于权利要求1-7任一项所述的装置进行测量，其特征在于，包括以下步骤：
左侧光源开启，左侧光源发射的光传播到测量装置；
测量装置中单缝A和单缝B的衍射图样先分离后重合，得到单缝A的宽度变化量，即金属丝的拉伸长度变化量；
单缝A和单缝B的衍射图样的变化在右侧光屏显示；
所述测量装置中单缝A和单缝B的衍射图样先分离后重合，具体包括以下步骤：
（1）托盘增加重物，金属丝被拉长从而带动挡板下移，此时单缝A的上部被挡板遮挡且单缝A的通光宽度发生变化，同时光屏上的衍射图像随之发生变化；单缝B保持初始宽度不变，单缝B的衍射图样在光屏上没有变化，此时单缝A和单缝B的衍射图样发生分离；
（2）记录螺旋测微器的初始数值，然后调节螺旋测微器使单缝A下端下移，增大单缝A的通光部分的宽度，直至光屏上单缝A和单缝B的衍射图像再次重合，再次读取螺旋测微器上的示数，计算出因为挡板下移的距离引起的单缝A宽度的变化量，即待测金属丝因拉伸引起的长度变化量，利用公式计算出金属丝的杨氏模量。
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