CN209400310U - 一种用于测量金属杨氏模量的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量金属杨氏模量的设备，包括金属丝受力机构、光杠杆组件以及光电检测组件；金属丝受力机构包括铁支架底座、第一铁支架竖直杆、铁支架横杆、上端夹子、金属丝、水平载物台、中间夹子、下端夹子以及与下端夹子连接的砝码钩和砝码，光杠杆组件包括光杠杆前脚、光杠杆后脚、光杠杆水平杆以及平面镜，光杠杆后脚设置在中间夹子的顶部，光杠杆前脚设置在水平载物台上；光电检测组件包括设置在平面镜前方的聚焦透镜、可调光阑、LED单色光源、光电探测器以及光电检流计。本实用新型通过把金属丝受外力作用时的伸长量的测量转化为光电探测器竖直方向位置的变化量的测量，设备结构简单，调节难度减小，数据测量更加方便。

Description

一种用于测量金属杨氏模量的设备

技术领域

本实用新型涉及金属杨氏模量测量领域，尤其是涉及一种用于测量金属杨氏模量的设备。

背景技术

在实验室中，金属杨氏模量的测量是物理实验室普遍开设的实验项目。其实验原理是利用光杠杆的放大作用，通过望远镜来观测光杠杆中平面镜里面标尺的像，测量的关键是找出平面镜里标尺的像，由于标尺固定在望远镜附近，望远镜与光杠杆的距离一般大于2米，实验过程中调节望远镜左右、上下位置、调整望远镜光轴与平面镜光轴的水平夹角、竖直方向夹角的关系，要占用很长时间，并且要求测量者熟练掌握调节方法、且需要实验者耐心、细致调节才能调节好仪器。此实验调节要求比较复杂，仪器调整难度较大，对操作者而言需要耗费较多的时间与精力，不利于此实验的教学开展。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决光杠杆法测量金属杨氏模量的实验调节难度大、仪器调整复杂的问题，提供一种解决方案。通过在平面镜前放置单色光源和光电探测器以及光电检流计等部件，单色光源发出的光线经平面镜反射后被光电探测器接收，光电流值可在光电检流计上读取。当金属丝下面加挂砝码后，金属丝有一定的伸长量∆L，金属丝的伸长会引起光杠杆上平面镜镜面的倾斜程度，则投射在平面镜上的单色光源的反射光线相对于入射光线所在的水平面的夹角增大，光电探测器所在位置的反射光线光斑会上移，通过调节光电探测器竖直位置，使反射光线重新被光电探测器接收。通过以上设计，把金属丝受外力作用时的伸长量的测量转化为光电探测器竖直方向位置的变化量的测量，因此本实用新型测量金属杨氏模量，实验仪器结构简单，仪器调节难度减小，数据测量更加方便。

一种用于测量金属杨氏模量的设备，包括金属丝受力机构、光杠杆组件以及光电检测组件；

所述金属丝受力机构包括铁支架底座、设置在铁支架底座上的第一铁支架竖直杆、设置在第一铁支架竖直杆上部的铁支架横杆、设置在铁支架横杆上的上端夹子、金属丝、水平载物台、中间夹子、下端夹子以及与下端夹子连接的砝码钩和砝码，所述水平载物台通过载物台锁紧夹片可升降安装在第一铁支架竖直杆上，水平载物台上设有供中间夹子穿过的圆孔，且中间夹子的上顶面与水平载物台所在平面平齐，所述上端夹子、中间夹子和下端夹子上均设有紧锁螺丝，以将穿过的金属丝锁紧或松开；

所述光杠杆组件包括光杠杆前脚、光杠杆后脚、将光杠杆前脚顶端和光杠杆后脚顶端连接的光杠杆水平杆以及固定在光杠杆水平杆上的平面镜，光杠杆后脚设置在中间夹子的顶部，光杠杆前脚设置在水平载物台上；

所述光电检测组件包括设置在平面镜前方的聚焦透镜、可调光阑、LED单色光源、光电探测器以及光电检流计，LED单色光源通过夹具固定在第三升降架上，平面镜与LED单色光源之间依次设置有聚焦透镜和可调光阑，聚焦透镜通过夹具固定在第一升降架上，可调光阑通过夹具固定在第二升降架上，光电探测器通过夹具固定在三维调节支架上，三维调节支架上设有三维调节支架竖直调节螺母、三维调节支架水平面横向调节螺丝和三维调节支架水平面纵向调节螺丝，所述三维调节支架竖直调节螺母上设有竖直丝杆，竖直丝杆与三维调节支架竖直调节螺母为丝杆连接，三维调节支架竖直调节螺母为圆柱形，其外表面圆周周长平均分成100等份并设置等分刻度线，竖直丝杆与三维调节支架竖直调节螺母之间的丝杆连接设计标准为：三维调节支架竖直调节螺母每顺时针旋转一周，竖直丝杆上移1mm；三维调节支架竖直调节螺母每逆时针旋转一周，竖直丝杆下移1mm；竖直丝杆在水平面上的横向和纵向移动分别通过调节三维调节支架水平面横向调节螺丝和三维调节支架水平面纵向调节螺丝来实现；所述光电检流计通过导线与光电探测器通讯连接并显示光电探测器所接受到的光强；其中，所述LED单色光源设置为：LED单色光源的入射光穿过可调光阑和聚焦透镜射向平面镜后变为反射光照射在光电探测器上。

所述聚焦透镜焦距为9-10cm、直径为7-8cm；所述可调光阑的线度调节范围为0~1mm。

所述光杠杆前脚为人字形结构。

所述光电探测器的光谱响应范围为300~650nm。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过把金属丝受外力作用时的伸长量的测量转化为光电探测器竖直方向位置的变化量的测量，因此本实用新型的设备测量金属杨氏模量，设备结构简单，调节难度减小，数据测量更加方便。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为三维调节支架的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示对本实用新型作进一步详细说明：

一种用于测量金属杨氏模量的设备，包括金属丝受力机构、光杠杆组件以及光电检测组件；

所述金属丝受力机构包括铁支架底座11、设置在铁支架底座11上的第一铁支架竖直杆1、设置在第一铁支架竖直杆1上部的铁支架横杆2、设置在铁支架横杆2上的上端夹子3、金属丝30、水平载物台4、中间夹子6、下端夹子8以及与下端夹子8连接的砝码钩10和砝码，所述水平载物台4通过载物台锁紧夹片7可升降安装在第一铁支架竖直杆1上，水平载物台4上设有供中间夹子6穿过的圆孔5，且中间夹子6的上顶面与水平载物台4所在平面平齐，所述上端夹子3、中间夹子6和下端夹子8上均设有紧锁螺丝9，以将穿过的金属丝(30)锁紧或松开；

所述光杠杆组件包括光杠杆前脚13、光杠杆后脚12、将光杠杆前脚13顶端和光杠杆后脚12顶端连接的光杠杆水平杆14以及固定在光杠杆水平杆14上的平面镜31，光杠杆后脚12设置在中间夹子6的顶部，光杠杆前脚13设置在水平载物台4上；

所述光电检测组件包括设置在平面镜前方的聚焦透镜27、可调光阑25、LED单色光源24、光电探测器26以及光电检流计20，LED单色光源24通过夹具固定在第三升降架23上，平面镜31与LED单色光源24之间依次设置有聚焦透镜27和可调光阑25，聚焦透镜27通过夹具固定在第一升降架15上，可调光阑25通过夹具固定在第二升降架22上，光电探测器26通过夹具固定在三维调节支架上，三维调节支架上设有三维调节支架竖直调节螺母17、三维调节支架水平面横向调节螺丝18和三维调节支架水平面纵向调节螺丝19，所述三维调节支架竖直调节螺母17上设有竖直丝杆16，竖直丝杆16与三维调节支架竖直调节螺母17为丝杆连接，三维调节支架竖直调节螺母17为圆柱形，其外表面圆周周长平均分成100等份并设置等分刻度线，竖直丝杆16与三维调节支架竖直调节螺母17之间的丝杆连接设计标准为：三维调节支架竖直调节螺母17每顺时针旋转一周，竖直丝杆16上移1mm；三维调节支架竖直调节螺母17每逆时针旋转一周，竖直丝杆16下移1mm；竖直丝杆16在水平面上的横向和纵向移动分别通过调节三维调节支架水平面横向调节螺丝18和三维调节支架水平面纵向调节螺丝19来实现；所述光电检流计20通过导线与光电探测器26通讯连接并显示光电探测器26所接受到的光强；其中，所述LED单色光源24设置为：LED单色光源24的入射光28穿过可调光阑25和聚焦透镜27射向平面镜31后变为反射光29照射在光电探测器26上。

所述聚焦透镜27焦距为9-10cm、直径为7-8cm；所述可调光阑25的线度调节范围为0~1mm。

所述光杠杆前脚13为人字形结构。

所述光电探测器26的光谱响应范围为300~650nm。

本套实验装置各部分仪器基本参数及配置标准：

三维调节支架：水平面两个方向调节精度不小于0.1 mm；行程。竖直方向调节精度0.01 mm，行程。

光电检流计：测量范围：10^-10~10^-4安培；3.5位数字显示；测量误差小于0.5％；可数据保持；可连续衰减。

根据物理学知识，材料的杨氏模量按如下方法定义：原长为L，横截面积为S的材料，在拉力F的作用下，有伸长量∆L，则材料的杨氏模量E定义为：

根据（1）式，当金属丝下挂质量为m的砝码时，拉力F等于砝码的重力，

拉伸法测量金属的杨氏模量的公式为

上式中，g为测量所在地的重力加速度，L是金属丝原长，D为光杠杆平面镜到标尺的距离，是圆周率，d是金属丝直径，∆d为金属丝下挂质量为m的砝码前后望远镜中所测标尺的读数差值，h为光杠杆前后脚的垂直距离。拉伸法测量金属的杨氏模量关键在于利用望远镜和光杠杆的比例放大法原理测出∆d。

本实用新型设计中，通过在平面镜31前放置LED单色光源24和可调光阑25及聚焦透镜27，使光源发出的光线经过可调光阑的25调节，再经过聚焦透镜27的聚焦作用变成平行光，此平行光经过置于光杠杆上的平面镜31的反射后被光电探测器26接收，其光强大小通过光电检流计20显示出来。当金属丝30下挂砝码后，金属丝30有一定伸长量∆L，金属丝30的伸长会使得夹在金属丝30中间部位的圆柱形夹子6下沉，而光杠杆后脚12置于圆柱形夹子6的上顶面，因此，金属丝30的伸长会引起光杠杆后脚12的下沉，而光杠杆后脚12的下沉会引起平面镜31镜面相对于水平面的夹角变化，此时，平面镜入射光线28仍然保持不变，因此，根据光杠杆的比例放大法原理，平面镜的反射光线29在光电探测器26处会产生竖直方向的位置变化量∆z，通过调节三维调节支架竖直调节螺母17，使平面镜31的反射光线29从新进入光电探测器26中，并仔细调节三维调节支架竖直调节螺母17，使光电检流计20的读数与放置砝码前的读数相等，则光电探测器26在放置砝码前后竖直方向的位置变化量∆ z与传统拉伸法测量金属的杨氏模量实验中金属丝下挂质量为m的砝码前后望远镜中所测标尺的读数差值∆d相等。并且，传统拉伸法测量金属的杨氏模量实验中∆d的测量精度是1mm，而本实用新型中，∆z的测量精度是0.01 mm。因此本实用新型测量金属杨氏模量，减小了仪器调节难度，提高了数据测量方便程度，提高了数据测量精度。

上述仅本实用新型较佳可行的实施方式而已，非因此局限本实用新型保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于测量金属杨氏模量的设备，其特征在于包括金属丝受力机构、光杠杆组件以及光电检测组件；

所述金属丝受力机构包括铁支架底座(11)、设置在铁支架底座(11)上的第一铁支架竖直杆(1)、设置在第一铁支架竖直杆(1)上部的铁支架横杆(2)、设置在铁支架横杆(2)上的上端夹子(3)、金属丝(30)、水平载物台(4)、中间夹子(6)、下端夹子(8)以及与下端夹子(8)连接的砝码钩(10)和砝码，所述水平载物台(4)通过载物台锁紧夹片(7)可升降安装在第一铁支架竖直杆(1)上，水平载物台(4)上设有供中间夹子(6)穿过的圆孔(5)，且中间夹子(6)的上顶面与水平载物台(4)所在平面平齐，所述上端夹子(3)、中间夹子(6)和下端夹子(8)上均设有紧锁螺丝(9)，以将穿过的金属丝(30)锁紧或松开；

所述光杠杆组件包括光杠杆前脚(13)、光杠杆后脚(12)、将光杠杆前脚(13)顶端和光杠杆后脚(12)顶端连接的光杠杆水平杆(14)以及固定在光杠杆水平杆(14)上的平面镜(31)，光杠杆后脚(12)设置在中间夹子(6)的顶部，光杠杆前脚(13)设置在水平载物台(4)上；

所述光电检测组件包括设置在平面镜前方的聚焦透镜(27)、可调光阑(25)、LED单色光源(24)、光电探测器(26)以及光电检流计(20)，LED单色光源(24)通过夹具固定在第三升降架(23)上，平面镜(31)与LED单色光源(24)之间依次设置有聚焦透镜(27)和可调光阑(25)，聚焦透镜(27)通过夹具固定在第一升降架(15)上，可调光阑(25)通过夹具固定在第二升降架(22)上，光电探测器(26)通过夹具固定在三维调节支架上，三维调节支架上设有三维调节支架竖直调节螺母(17)、三维调节支架水平面横向调节螺丝(18)和三维调节支架水平面纵向调节螺丝(19)，所述三维调节支架竖直调节螺母(17)上设有竖直丝杆(16)，竖直丝杆(16)与三维调节支架竖直调节螺母(17)为丝杆连接，三维调节支架竖直调节螺母(17)为圆柱形，其外表面圆周周长平均分成100等份并设置等分刻度线，竖直丝杆(16)与三维调节支架竖直调节螺母(17)之间的丝杆连接设计标准为：三维调节支架竖直调节螺母(17)每顺时针旋转一周，竖直丝杆(16)上移1mm；三维调节支架竖直调节螺母(17)每逆时针旋转一周，竖直丝杆(16)下移1mm；竖直丝杆(16)在水平面上的横向和纵向移动分别通过调节三维调节支架水平面横向调节螺丝(18)和三维调节支架水平面纵向调节螺丝(19)来实现；所述光电检流计(20)通过导线与光电探测器(26)通讯连接并显示光电探测器(26)所接受到的光强；其中，所述LED单色光源(24)设置为：LED单色光源(24)的入射光(28)穿过可调光阑(25)和聚焦透镜(27)射向平面镜(31)后变为反射光(29)照射在光电探测器(26)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量金属杨氏模量的设备，其特征在于所述聚焦透镜(27)焦距为9-10cm、直径为7-8cm；所述可调光阑(25)的线度调节范围为0~1mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于测量金属杨氏模量的设备，其特征在于所述光杠杆前脚(13)为人字形结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量金属杨氏模量的设备，其特征在于所述光电探测器(26)的光谱响应范围为300~650nm。