CN204086032U - 一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统，支架杆立于支架座上，两根支架杆由上至下分别被第一横杆、第二横杆、第三横杆所连接，第一横杆的中心绑定试验样件的一端，试验样件另一端穿过第二横杆的中心孔连接在连接件的上端，连接件的下端与吊钩连接，吊钩下部设有平台，平台上可放置砝码，吊钩下端连接有第一刀片，第一刀片安装在刀片座上，第一刀片可在刀片座上微距移动，在第一刀片下方的刀片座上固定安装有第二刀片，第一刀片和第二刀片的刀刃之间形成了狭缝，刀片座固定在第三横杆的中心。本实用新型的有益效果是提供了一种简单的、容易调节的进行夫琅禾费单缝衍射实验的测量系统。

Description

一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统

技术领域

本实用新型属于光学测量设备技术领域，涉及一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统。

背景技术

力作用于物体所引起的效果之一是使受力物体发生形变，物体的形变可以分为弹性形变和塑性形变。固体材料的弹性形变又可以分为纵向、切变、扭转、弯曲；对于弹性形变可以引入杨氏模量来描述材料抵抗形变的能力。杨氏模量是工程设计上选用材料的时常需涉及的重要参数之一，一般只与材料的性质和温度有关，与几何形状无关。

光杠杆法：是一种利用光学原理把微小长度的变化加以放大后，再进行测量的方法。该方法的不足之处：(1)由于用到近似关系式tanα≈α(α为反射镜镜面转角)，因此存在系统误差，虽然可以通过增大光杠杆常数b值，使α很小的条件得以满足。但b值增加有一定的限度，过大可能引起反射镜前两足移动产生偏差，同时，也不符合误差均分原则。(2)初始负荷下，要求光杠杆镜面法线与望远镜重合且水平，标尺与光杠杆镜面平行且铅直，仅靠目测很难达到这种标准状态。(3)目前实验装置复杂，调节有一定的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种夫琅禾费单缝衍射实验设备，解决了现有进行夫琅禾费单缝衍射实验的设备结构复杂，不容易调节，实验设备稳定性不好，测量精度不高的问题。

本实用新型的技术方案是包括支架杆，支架杆为两根，两根支架杆与地面垂直，立于支架座上，两根支架杆由上至下分别被第一横杆、第二横杆、第三横杆所连接，第一横杆的两端设有第一旋钮，通过调节第一旋钮可调节第一横杆的高度，第二横杆的两端设有第二旋钮，通过调节第二旋钮可调节第二横杆的高度，第三横杆两端固定在支架杆上，第一横杆的中心绑定试验样件的一端，试验样件另一端穿过第二横杆的中心孔连接在连接件的上端，连接件的下端与吊钩连接，吊钩下部设有平台，平台上可放置砝码，吊钩下端连接有第一刀片，第一刀片安装在刀片座上，第一刀片可在刀片座上微距移动，在第一刀片下方的刀片座上固定安装有第二刀片，第一刀片和第二刀片的刀刃之间形成了狭缝，刀片座固定在第三横杆的中心。

进一步，所述试验样件为钢丝、铁丝、铝丝、铜丝、钨丝、镍丝其中的任一种。

进一步，所述支架座包括底盘，底盘被三条支撑腿支撑，支撑腿的脚底设有螺旋钮，可通过螺旋钮微调装置的水平状况，支架杆可用钢管，两根支架杆分别插接在底盘的两端。

本实用新型的有益效果是提供了一种简单的、容易调节，且设备稳定性好，测量精度高的测量系统。

附图说明

图1是本实用新型夫琅禾费单缝衍射实验设备结构示意图；

图2是本实用新型支架座结构示意图。

图中，1.支架杆，2.支架座，3.第一横杆，4.第二横杆，5.第三横杆，6.第一旋钮，7.第二旋钮，8.试验样件，9.连接件，10.吊钩，11.平台，12.砝码，13.第一刀片，14.刀片座，15.第二刀片，201.底盘，202.支撑腿，203.螺旋钮。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型如图1所示，包括支架杆1，支架杆1为两根，两根支架杆1与地面垂直，立于支架座2上，两根支架杆1由上至下分别被第一横杆3、第二横杆4、第三横杆5所连接，第一横杆3的两端设有第一旋钮6，通过调节第一旋钮6可调节第一横杆3的高度，第二横杆4的两端设有第二旋钮7，通过调节第二旋钮7可调节第二横杆4的高度，第三横杆5两端固定在支架杆1上，第一横杆3的中心绑定试验样件8的一端，试验样件8另一端穿过第二横杆4的中心孔连接在连接件9的上端，连接件9的下端与吊钩10连接，吊钩下部设有平台11，平台11上可放置砝码12，吊钩下端连接有第一刀片13，第一刀片13安装在刀片座14上，第一刀片13可在刀片座14上微距移动，在第一刀片13下方的刀片座14上固定安装有第二刀片15，第一刀片13和第二刀片15的刀刃之间形成了狭缝，刀片座14固定在第三横杆5的中心。如图2所示，所述支架座2包括底盘201，底盘201被三条支撑腿202支撑，支撑腿202的脚底设有螺旋钮203，可通过螺旋钮203微调装置的水平状况，支架杆1可用钢管，两根支架杆1分别插接在底盘201的两端。

所述试验样件8为钢丝、铁丝、铝丝、铜丝、钨丝、镍丝其中的任一种。

外部激光光源照射刀片之间的狭缝，在外部屏幕上产生衍射条纹，砝码12可增减，通过砝码12的增减，可调节试验样件8的长度，试验样件8的细微长度变化，使狭缝之间距离同样产生变化，从而此变化被衍射条纹图案放大。

在实验的过程中首先要打开激光光源，让激光垂直照射到狭缝上，然后调节单缝的宽度，使得光线投射到装置旁边设置的白屏上，白屏上恰好能够出现清晰稳定的条纹。这时在挂钩10吊挂的平台11上轻轻地加上准备好的砝码12，每加一次砝码12都会改变白屏上衍射条纹的宽度，同时，我们依次测出中央亮纹到屏中心的距离，就可以得出实验结果。

本实用新型的测量系统采用夫琅禾费单缝衍射测定长度的微小变化量，测量出①待测物即试验样件8的直径d；②狭缝到屏幕的距离D；③待测物的长度L；④所加砝码12的质量m。激光的波长λ已知(λ＝632.8nm)。进而根据相关理论求出待测物的弹性杨氏模量。其原理时通过单缝衍射条纹的间距与缝宽的关系得到缝宽的变化量，而缝宽的变化量等于待测物的变化量。

理论依据：由胡克定律

$\frac{F}{S}=E\frac{\mathrm{\δ}}{L}---\left(1\right)$

式中(d为待测物体的直径)。代入(1)式可得：

$\frac{\mathrm{mg}}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}{d}^2}=E\frac{\mathrm{\δ}}{L}$ 进而可得

$E=\frac{4\mathrm{mgL}}{\mathrm{\δ\π}{d}^2}---\left(2\right)$

由单缝衍射可知，缝宽的变化为

$\mathrm{\Δb}=(\frac{1}{l_0}-\frac{1}{l})\mathrm{D\λ}---\left(3\right)$

式中l为加上重物后±1级暗条纹到屏中心的距离，l₀是未加重物时±1级暗条纹到屏中心的距离，D为狭缝到屏幕的距离。

当细丝长度的微小变化量δ与Δb相等时(即时有

$E=\frac{4\mathrm{mgL}}{(\frac{1}{l_0}-\frac{1}{l})\mathrm{D\λ\π}{d}^2}---\left(4\right)$

由(4)式可得：

$\frac{1}{l}=-\frac{4\mathrm{gL}}{\mathrm{D\λE\π}{d}^2}m+\frac{1}{l_0}---\left(5\right)$

令 $y=\frac{1}{l},{\mathrm{\β}}_1=-\frac{4\mathrm{gL}}{\mathrm{D\λE\π}{d}^2},{\mathrm{\β}}_0=\frac{1}{l_0},x=m$

则(5)式变为

y＝β₀+β₁x                                (6)

通过测出n组(x,y)采用作图法画出图形，进而得出k，再由 ${\mathrm{\β}}_1=-\frac{4\mathrm{gL}}{\mathrm{D\λE\π}{d}^2}$ 得：

$E=-\frac{4\mathrm{gL}}{D{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\λ\π}{d}^2}---\left(7\right)$

从而测出杨氏模量。

采用本新型的测量系统进行钢丝的杨氏模量测量计算，表1为测量数据。

表1

实验数据记录如下表2所示。

表2

由表2中的数据可得β₁＝-24.3105

通过本实用新型的测量设备，测量并计算被测钢丝的杨氏模量：

$E=-\frac{4\mathrm{gL}}{D{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\λ\π}{d}^2}=1.96413\×{10}^{11}N/m^2$

而被测材料杨氏模量的标准值为：

E₀＝2.01×10¹¹N/m²

其相对误差为：

$\frac{|1.96\×{10}^{11}-2.01\×{10}^{11}|}{2.01\×{10}^{11}}\×100\%=2.488\%$

由以上实验结果可以看出，本实验装置测量的误差较小，完全达到了实验要求。本实验装置具有普遍适用性，运用同样的方法还可以测量：铁、铝、铜、钨、镍等材料的经验公式，进而测出他们的杨氏模量。

本实用新型的实验装置优点有简单易于操作，只要把狭缝调整到刚好能够出现衍射条纹的位置，就可以在挂钩上添加准备好的砝码，在屏幕上就会出现一组组不同的衍射条纹，只需测出一级亮纹到屏中心的距离带入相关公式就可以得出结果。其次，该实验装置结构简单，性能好，比较的节约实验成本。最后，就是其稳定性好，得到的条纹稳定，容易测量。在物理实验教学上，可以用于教学，实验教学效果好，对学生的启发性强。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统，其特征在于：包括支架杆(1)，支架杆(1)为两根，两根支架杆(1)与地面垂直，立于支架座(2)上，两根支架杆(1)由上至下分别被第一横杆(3)、第二横杆(4)、第三横杆(5)所连接，第一横杆(3)的两端设有第一旋钮(6)，通过调节第一旋钮(6)可调节第一横杆(3)的高度，第二横杆(4)的两端设有第二旋钮(7)，通过调节第二旋钮(7)可调节第二横杆(4)的高度，第三横杆(5)两端固定在支架杆(1)上，第一横杆(3)的中心绑定试验样件(8)的一端，试验样件(8)另一端穿过第二横杆(4)的中心孔连接在连接件(9)的上端，连接件(9)的下端与吊钩(10)连接，吊钩下部设有平台(11)，平台(11)上可放置砝码(12)，吊钩下端连接有第一刀片(13)，第一刀片(13)安装在刀片座(14)上，第一刀片(13)可在刀片座(14)上微距移动，在第一刀片(13)下方的刀片座(14)上固定安装有第二刀片(15)，第一刀片(13)和第二刀片(15)的刀刃之间形成了狭缝，刀片座(14)固定在第三横杆(5)的中心。

2.按照权利要求1所述一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统，其特征在于：所述试验样件(8)为铁丝、铝丝、铜丝、钨丝、镍丝其中的任一种。

3.按照权利要求1所述一种夫琅禾费单缝衍射实验测量系统，其特征在于：所述支架座(2)包括底盘(201)，底盘(201)被三条支撑腿(202)支撑，支撑腿(202)的脚底设有螺旋钮(203)，可通过螺旋钮(203)微调装置的水平状况，支架杆(1)可用钢管，两根支架杆(1)分别插接在底盘(201)的两端。