CN207300754U - 基于衍射光强的杨氏模量测量仪 - Google Patents

Abstract

一种基于衍射光强的杨氏模量测量仪，包括：光衍射发生装置及接收装置，所述光衍射发生装置包括底座I、竖直安装于底座I上的立柱I、滑动安装于立柱I上的滑板、位于滑板下端且与滑板相连的安装板以及安装于安装板下端的砝码托盘，所述滑板与立柱I的顶端通过钢丝吊装连接，所述安装板上安装有激光器以及位于激光器前端的光栅片，所述接收装置包括底座II、竖直安装于底座II上的立柱II、安装于立柱II上的螺旋测微器以及沿竖直方向设置且安装于螺旋测微器输出轴上的光电探头，本实用新型的基于衍射光强的杨氏模量测量仪将钢丝拉伸量转化为易于、观察可准确测量的光斑移动量，光斑移动量可以通过螺旋测微器测得，从而简化了测量，提高了精度。

Description

基于衍射光强的杨氏模量测量仪

技术领域

本实用新型涉及杨氏模量测量领域，具体涉及一种基于衍射光强的杨氏模量测量仪。

背景技术

杨氏弹性模量是用来描述固体材料纵向抵抗形变能力的参数。一般采用拉伸法测杨氏模量。拉伸法测杨氏模量实验在大学物理实验中是很重要的实验项目，此外还有利用观察衍射，干涉的条纹分布的方法。例如干涉法测杨氏模量，衍射法测杨氏模量等

拉伸法测杨氏模量：测量原理及过程为，一横截面积S，长度L的均匀钢丝，沿纵向受外力F后，伸长量为ΔL.则F/S称为应力，ΔL/L被称为应变。在弹性限度内，应力与应变成正比，其比例系数E，就叫作钢丝的杨氏模量。金属钢丝的直径用d表示，则杨氏模量表示为实验过程中，将钢丝悬挂在金属支架上，钢丝上端用螺钉固定，在其下端添加质量相同的砝码，通过增加砝码的数量计算出对金属钢丝施加拉力F，同时测出相应砝码数所对应的金属钢丝的伸长量ΔL，将各测量数据代人公式即可求出E。在实验实际过程中伸长量ΔL很小，直接测量很难准确测量出，因此采用光杠杆放大法进行间接测量。增加砝码时，金属钢丝伸长ΔL，同时光杠杆的后足下降ΔL，而两前足保持不动，与初始状态相比，相当于主杆转过角度，那么平面镜的法线也会随之转过角度。设前后两足间的距离为b，其数学公式为

最终杨氏模量：

利用干涉衍射条纹分布测杨氏模量：其原理为将钢丝拉伸量转换为用来产生干涉，衍射的细缝宽度的变化，通过显微镜观察拉伸前后条纹的分布情况，进而算出拉伸前后的缝宽，两次缝宽之差，即为钢丝的拉伸量，进而求得杨氏模量。

当使用拉伸法测杨氏模量时实验中的不便之处如下：

(1)望远镜难以调节，尽管有调节方法，但限于天气、灯光光照角度、学生近视等因素对刚接触该实验的同学讲来说，能在规定时间内从望远镜中看到标尺的像十分困难

(2)实验耗时久、可重复性差且数据多，数据处理不易由公式可知，被测物理量较多，计算公式复杂，单位需多次换算，易出错，一组同学往往需要计算多次，才能得到一致的结果。

(3)由于采用光杠杆放大法，所以实验测量所需空间较大，钢丝支架与望远镜距离需2～3米。

因此实验中的误差来源为：

(1)实验前，装置需要满足两个条件：①标尺与光杠杆镜面相平行且铅直，而两者间的距离不好直接测量，误差较大，有时达2～3cm；②光杠杆镜面法线与望远镜光轴重合且水平，实验中没有仪器对其量化，仅靠目测，差异很大，因此这种标准状态很难达到。

(2)实验方法不够完善。公式中，存在用数学近似tanθ≈θ和tan2θ≈2θ形成的方法误差。当θ很小时，此误差很小，随着θ的增大，相对误差则会相应增大。

(3)实验中，测量工具为卷尺或直尺，测量精度仅到毫米级。

当使用干涉衍射条纹分布法测量杨氏模量时实验中的不便之处如下：

(1)实验操作麻烦，不宜控制，且后期处理数据时计算量大。

(2)对实验环境要求高，此方法要在暗室条件下进行，才能有好的效果。

(3)实验在观察条纹时，读数难度大，可操作性不强。

发明内容

本实用新型为了克服以上技术的不足，提供了一种简化了测量过程，提高了测量精度的基于衍射光强的杨氏模量测量仪。

本实用新型克服其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于衍射光强的杨氏模量测量仪，包括：光衍射发生装置及接收装置，所述光衍射发生装置包括底座I、竖直安装于底座I上的立柱I、滑动安装于立柱I上的滑板、位于滑板下端且与滑板相连的安装板以及安装于安装板下端的砝码托盘，所述滑板与立柱I的顶端通过钢丝吊装连接，所述安装板上安装有激光器以及位于激光器前端的光栅片，所述接收装置包括底座II、竖直安装于底座II上的立柱II、安装于立柱II上的螺旋测微器以及沿竖直方向设置且安装于螺旋测微器输出轴上的光电探头。

进一步的，还包括设置于安装板上的螺母座以及竖直设置于滑板上的螺杆，所述螺杆下端旋合于螺母座中。

进一步的，还包括设置于安装板两端的凸块以及沿竖直方向设置于立柱I上的滑槽，所述凸块滑动设置于滑槽中。

本实用新型的有益效果是：本发明的基于衍射光强的杨氏模量测量仪将钢丝拉伸量转化为易于、观察可准确测量的光斑移动量，光斑移动量可以通过螺旋测微器测得，从而简化了测量，提高了精度。

附图说明

图1为本实用新型的光衍射发生装置的结构示意图；

图2为本实用新型的接收装置的结构示意图；

图3为本实用新型的激光器部位的结构示意图；

图中，1.底座I 2.立柱I 3.滑板4.安装板5.螺杆6.螺母座7.钢丝8.凸块9.砝码托盘10.激光器11.光栅片12.底座II 13.立柱II 14.螺旋测微器15.光电探头。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3对本实用新型做进一步说明。

一种基于衍射光强的杨氏模量测量仪，包括：光衍射发生装置及接收装置，所述光衍射发生装置包括底座I 1、竖直安装于底座I 1上的立柱I 2、滑动安装于立柱I 2上的滑板3、位于滑板3下端且与滑板3相连的安装板4以及安装于安装板4下端的砝码托盘9，滑板3与立柱I 2的顶端通过钢丝7吊装连接，安装板4上安装有激光器10以及位于激光器10前端的光栅片11，接收装置包括底座II 12、竖直安装于底座II 12上的立柱II 13、安装于立柱II 13上的螺旋测微器14以及沿竖直方向设置且安装于螺旋测微器14输出轴上的光电探头15。实验时，打开光衍射发生装置上的激光器10，预热15分钟。调节接收装置，使光衍射主极强在光电探头15的接收屏上狭缝附近，实现粗调。然后调节螺旋测微器14，使检流计示数最大即找到光强主极大位置实现细调，并记录下此时螺旋测微器和检流计示数。在砝码托盘上增加或减少1.0kg砝码，拉伸钢丝伸长或收缩，光衍射装置下移或上移。使接收屏上的衍射光斑相应的下移或上移。调节螺旋测微器14，使光电探头15的探头下移或上移，使检流计示数再次达到最大值即再次找到光强主极大位置，记录此时螺旋测微器示数。两次螺旋测微器示数相减所得结果即为钢丝拉伸量的大小。

优选的，在砝码钩托上逐次增加砝码七次，并依次记下每次的螺旋测微器的读数；再逐次减去砝码，记录下相应的读数。

本发明的基于衍射光强的杨氏模量测量仪将钢丝拉伸量转化为易于观察、可准确测量的光斑移动量，光斑移动量可以通过螺旋测微器测得，从而简化了测量过程，提高了精度。相对于传统试验装置，本发明的优点为：

1、传统光放大法测量杨氏模量实验精度在0.5mm量级上，具有较大的系统误差。本发明通过钢丝伸长量转化为光斑移动量，利用螺旋测微计解决了这一问题，将实验精度提高到了0.005mm量级。

2、传统光放大法测量杨氏模量实验占用空间面积大(3米以上距离)，本发明的杨氏模量测量仪只需要0.3米的距离就可以实现测量，极大节省了实验室面积。

3、原本实验装置实验前，装置需要满足两个条件：标尺与光杠杆镜面相平行且铅直，而两者间的距离不好直接测量，误差较大，有时达2～3cm；光杠杆镜面法线与望远镜光轴重合且水平，实验中没有仪器对其量化，仅靠目测，差异很大，因此这种标准状态很难达到。望远镜难以调节，尽管有调节方法，但限于天气、灯光光照角度、学生近视等因素对刚接触该实验的同学讲来说，能在规定时间内从望远镜中看到标尺的像十分困难。而本发明采用激光光源，光斑清晰可见，可十分容易的调整好接受装置的位置。

优选的，还包括设置于安装板4上的螺母座6以及竖直设置于滑板3上的螺杆5，螺杆5下端旋合于螺母座6中。通过螺杆5将滑板3与安装板4进行刚性连接，因此避免了安装板4的摆动，防止激光器10发出的衍射光斑不能照射到光电探头15上的情况发生。还可以包括设置于安装板4两端的凸块8以及沿竖直方向设置于立柱I 2上的滑槽，凸块8滑动设置于滑槽中。由于安装板4通过凸块8沿立柱I 2的滑槽上下滑动，因此有效防止其发生转动，进一步防止激光器10发出的衍射光斑不能照射到光电探头15上的情况发生。

Claims (3)

1.一种基于衍射光强的杨氏模量测量仪，其特征在于，包括：光衍射发生装置及接收装置，所述光衍射发生装置包括底座I(1)、竖直安装于底座I(1)上的立柱I(2)、滑动安装于立柱I(2)上的滑板(3)、位于滑板(3)下端且与滑板(3)相连的安装板(4)以及安装于安装板(4)下端的砝码托盘(9)，所述滑板(3)与立柱I(2)的顶端通过钢丝(7)吊装连接，所述安装板(4)上安装有激光器(10)以及位于激光器(10)前端的光栅片(11)，所述接收装置包括底座II(12)、竖直安装于底座II(12)上的立柱II(13)、安装于立柱II(13)上的螺旋测微器(14)以及沿竖直方向设置且安装于螺旋测微器(14)输出轴上的光电探头(15)。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光强的杨氏模量测量仪，其特征在于：还包括设置于安装板(4)上的螺母座(6)以及竖直设置于滑板(3)上的螺杆(5)，所述螺杆(5)下端旋合于螺母座(6)中。

3.根据权利要求1所述的基于衍射光强的杨氏模量测量仪，其特征在于：还包括设置于安装板(4)两端的凸块(8)以及沿竖直方向设置于立柱I(2)上的滑槽，所述凸块(8)滑动设置于滑槽中。