CN202057555U

CN202057555U - 等光程法杨氏模量测量仪

Info

Publication number: CN202057555U
Application number: CN2011200652204U
Authority: CN
Inventors: 杨桂娟; 王君; 何琪; 刘晓雨; 吴崇高; 蔡卫国; 杨勇; 李宏涛
Original assignee: Dalian Ocean University
Current assignee: Dalian Ocean University
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-03-14

Abstract

一种等光程法杨氏模量测量仪，根据迈克尔逊干涉仪能够测量微小长度变化量的原理和采用迈克尔逊干涉仪的读数装置，采用两个可移动的平面反射镜的方式，即在底座的上端面设有两个相互垂直的导轨。本实用新型与现有技术相比具有易调节、误差小、实验效果佳等优点。

Description

等光程法杨氏模量测量仪

技术领域 本实用新型涉及一种实验设备。

背景技术 杨氏模量是描述固体材料形变能力一个重要的物理量，也是工程技术中选用材料的一个重要的物理量。在一些试验中尤其是大学物理实验中现有的杨氏模量的测量方法主要是光杠杆法，光杠杆法采用的测量装置主要由望远镜、支架、金属丝固件，小反射平面镜、标尺、砝码、螺旋测微计、米尺等组成的。测量过程中调节使得从望远镜能清晰的看到标尺的像，然后逐渐加砝码使得金属丝被拉长，通过金属丝伸长的微小长度、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杨氏弹性模量。虽然这种方法可以测量出金属的杨氏模量，但是在测量过程中存在以下不足：

（1）将微小的长度通过光杠杆法进行放大，然后进行测定，通过镜子看标尺时会出现像难调节的问题。

（2）将非竖直平面的光路近似看成是同一竖直平面的光路，这也会产生了误差。

（3）通过望远镜看标尺的读数，标尺的精确度较低。

在一些物理试验中，迈克尔逊干涉仪的使用非常普遍，迈克尔逊干涉仪是观察光干涉现象的仪器，主要研究的是光的精细结构和长度标准的校准。它是一种典型的分振幅双干涉装置，在物理测量和检测上有很多应用。如：测不同定域状态的干涉条纹，测量气体、固体的折射率，测量光的波长，光学相干层析成像等。

现有的迈克尔逊干涉仪的主要是由底座、导轨、观察屏、读数装置、拖板、平面反射镜、发光器、精密丝杆、分光板、补偿板构成的，在底座的上端面设有导轨座，在导轨座的上设有水平导轨，拖板与导轨相连，在拖板上设有平面反射镜一，该平面反射镜一通过调节螺丝控制其角度，平面反射镜一的移动通过导轨内部的精密丝杆控制，在导轨的一侧设有与平面反射镜一高度相同的平面反射镜二，该平面反射镜二通过螺丝固定在导轨座上，在平面反射镜二的前端设有分光板，分光板和平面反射镜二之间设有补偿板；在底座的上端面并与导轨座相对一侧设有读数装置，确定平面反射镜二位置的读数装置由三部分组成：即导轨侧面的毫米刻度主尺和两个调节手轮上的百分度盘，其读数方法与螺旋测微器相同，主尺是毫米刻度尺，装在导轨侧面，只读到毫米整数位（2位），不估读；粗调手轮控制着刻度圆盘，从读数窗口可以看到刻度；旋转手轮使圆盘转一周，平面反射镜二就移动1mm，圆盘有100个分格，圆盘转动一个分格时平面反射镜二就移动0.01mm；微调鼓轮上有100个分格，鼓轮转一周使平面反射镜二移动0.01mm，它转一个分格使平面反射镜二移动0.0001mm，读数时还要估读一位。上述每一级装置读数时只读出整数个分格数，不估读，其估读位由下一级给出；而最后一级则要估读。这样，一个读数由导轨刻度尺读数（2位）、正面窗口读数（2位）和鼓轮读数（3位）构成，共7位有效数字。现有的迈克尔逊干涉仪的读数装置的一侧还设置一个用于观察光点的观察屏。

发明内容 本实用新型的目的在于提供一种结构新颖、操作简单、易调节、误差小、实验效果佳的等光程法杨氏模量测量仪。

本实用新型主要是根据迈克尔逊干涉仪能够测量微小长度变化量的原理和采用迈克尔逊干涉仪的读数装置。

本实用新型主要是采用两个可移动的平面反射镜的方式，即在底座的上端面设有两个相互垂直的导轨。

本实用新型包括底座、顶座、观察屏、金属丝固定架、导轨、镜座、平面反射镜、分光板、滑轮、牵引绳、托盘以及读数装置，所述底座的上端面一侧固接顶座，顶座的一侧设有观察屏，与观察屏相对一侧设有水平导轨一，所述导轨一的主体为长方体，在其上端面设有滑槽，镜架一可通过滑槽与导轨一相连，在镜架一的上端面设有平面反射镜一，该平面反射镜一上至少设有三个调节螺丝用于控制平面反射镜一角度；上述导轨一的滑槽内部并靠近顶座的一侧设有用于放置被测金属的金属丝固定架；所述镜架一上连接牵引绳，牵引绳的一端与镜架一相连，另一端与托盘相连，所述牵引绳置于滑轮上，该滑轮安装在导轨一末端；在上述顶座的上端面设有分光板，所述分光板与导轨一中轴线所成的角度为45^o。在顶座的一侧固接导轨二，所述导轨二与上述导轨一的结构相同，即导轨二的主体为长方体，在其上端面设有滑槽，镜架二可通过滑槽与导轨二相连，镜架二的上端面设有平面反射镜二，该平面反射镜二上至少设有三个调节螺丝用于控制平面反射镜二角度。在顶座的一侧即与导轨二相对一侧设有读数装置，所述读数装置的结构基本与现有技术相同，即读数装置主要是由读数壳、主尺、粗调手轮以及微调手轮，其中主尺为毫米刻度尺，安装在导轨二侧面，在顶座的侧面安装读数壳，在读数壳的表面设有读数窗口，在读数壳的底部安装粗调手轮，读数壳的侧面安装微调手轮。

本实用新型是这样测量金属的杨氏模量的：

根据现有迈克尔逊干涉仪的实验操作方式，平面反射镜二由精密丝杆控制，可沿导轨前后移动，移动的距离由读数装置读出，读数装置的读数方法与螺旋测微器相同，主尺是毫米刻度尺，装在导轨二侧面，只读到毫米整数位（2位），不估读；粗调手轮控制着刻度圆盘，从读数窗口可以看到刻度；旋转手轮使圆盘转一周，平面反射镜二就移动1mm，圆盘有100个分格，圆盘转动一个分格时平面反射镜二就移动0.01mm；微调鼓轮上有100个分格，鼓轮转一周使平面反射镜二移动0.01mm，它转一个分格使平面反射镜二移动0.0001mm，读数时还要估读一位。上述每一级装置读数时只读出整数个分格数，不估读，其估读位由下一级给出；而最后一级则要估读。这样，一个读数由导轨刻度尺读数（2位）、正面窗口读数（2位）和鼓轮读数（3位）构成，共7位有效数字。

测量时，将被测金属丝一端安装在金属丝固定架上，另一端与镜架一相连，先向托盘内加一砝码使金属丝拉直，调节镜镜架二，使反射镜一和反射镜二尽量等光程。

分光板的前端设有发光器，发光器以氦氖激光器为例，点燃氦氖激光器，使激光束照到两平面镜和观察屏的中部，并使从两平面镜反射来的两束光能尽量原路返回，即尽可能回到激光器的出光口。

观察屏上可以看到两排光点，都以最亮者居中，调节两平面反射镜后面的三个螺丝，使两个最亮点重合仍照在激光器的出光口或附近(此时两平面镜相互垂直）。

在氦氖激光器前放置一个扩束镜（短焦距凸透镜），使平行光聚焦为点光源并扩散开,照射到分光板上，此时在屏上可以看到圆形干涉条纹。再仔细调节两平面反射镜后面的三个螺丝，直到把干涉环中心调到视场中央。

双向转动微调鼓轮，观察干涉条纹“涌出”和“缩进”现象，找到 “缩进”和“涌出”的分界点，即观察屏上为亮斑，并记住条纹“缩进”时鼓轮的转向。此时反射镜二的位置为L₁,砝码的重量G₁。

找到分界点后往托盘中加砝码，这个力使反射镜一发生移动产生位移，这样待测金属丝也就随着反射镜一的移动被拉长，即在拉力的作用下金属丝发生弹性形变被拉长。由于反射镜一移动产生的小位移和待测金属丝的伸长长度大小相等，就可知金属丝的伸长量。在拉伸金属丝的过程中，反射镜一和反射镜二的两光线产生光程差，观察屏上可以看到干涉条纹有“涌出”的现象。

然后向干涉条纹“缩进”的方向漫漫转动的微调鼓轮，当干涉条纹“缩进”为亮斑（干涉条纹再要“涌出”而没“涌出”）时，此时反射镜一和反射镜二的两光线再次光程差相等，记录反射镜二的位置为为L_2，砝码的重量为G₂。

根据胡克定律算出杨氏模量E=F/S·L/ΔL，其中F为金属丝受到的外力F= G₂-G₁，S为金属丝的横截面积，L为金属丝的长度，ΔL为相邻两次等光程时的光程差ΔL=L₂-L。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

（1）将钢丝的微小长度直接进行测量，省去现有方法的间接转化，减小了误差的可能性。

（2）提高了读数精度，在读数方面减少了误差。

（3）仪器容易调节，操作简单。

（4）适用于工厂、学校等实验室，降低成本。

附图说明 图1为本实用新型的主视示意简图。

图2为本实用新型的俯视示意简图。

图3为本实用新型的左视示意简图。

图4为本实用新型的读数装置外部结构示意图。

图5为本实用新型的导轨一和导轨二的主视剖面示意图。

具体实施方式 如图1、图2和图3所示，底座1的上端面一侧固接顶座2，顶座的一侧设有观察屏3，与观察屏相对一侧设有主体为长方体的水平导轨一4，导轨一的上端面设有滑槽，镜架一5可通过滑槽与导轨一相连，镜架一的上端面设有平面反射镜一6，该平面反射镜一上设有三个调节螺丝7；导轨一的滑槽内部并靠近顶座的一侧设有金属丝固定架8；镜架一上连接牵引绳9，牵引绳的一端与镜架一相连，另一端与托盘10相连，牵引绳置于滑轮11上，该滑轮安装在导轨一末端；顶座的上端面设有分光板12，分光板与导轨一中轴线所成的角度为45^o。顶座的一侧固接主体为长方体的导轨二13，导轨二上端面设有滑槽14，镜架二15可通过滑槽与导轨二相连，镜架二的上端面设有平面反射镜二16，该平面反射镜二上设有三个调节螺丝，顶座的一侧即与导轨二相对一侧设有读数装置17，读数装置是由读书壳、主尺、粗调手轮以及微调手轮，主尺18安装在导轨二侧面，顶座的侧面安装读数壳19，读数壳的表面设有读数窗口20，读数壳的底部安装粗调手轮21，读数壳的侧面安装微调手轮22。

如图4所示，读数装置的主尺18安装在导轨二侧面，读数装置的读数壳19的表面设有读数窗口20，读数壳的底部安装粗调手轮21，读数壳的侧面安装微调手轮22。

如图5所示，导轨一4和导轨二13的主体为长方形，在其上端面设有滑槽14。

Claims

1.一种等光程法杨氏模量测量仪，其特征在于：底座的上端面一侧固接顶座，顶座的一侧设有观察屏，与观察屏相对一侧设有水平导轨一，导轨一的上端面设有滑槽，镜架一可通过滑槽与导轨一相连，镜架一的上端面设有平面反射镜一，该平面反射镜一上设有三个调节螺丝；导轨一的滑槽内部并靠近顶座的一侧设有金属丝固定架；镜架一上连接牵引绳，牵引绳的一端与镜架一相连，另一端与托盘相连，牵引绳置于滑轮上，该滑轮安装在导轨一末端；顶座的上端面设有分光板，分光板与导轨一中轴线所成的角度为45^o；顶座的一侧固接导轨二，导轨二的上端面设有滑槽，镜架二可通过滑槽与导轨二相连，镜架二的上端面设有平面反射镜二，该平面反射镜二上设有三个调节螺丝；顶座的一侧即与导轨二相对一侧设有读数装置。