CN211042979U - 一种杨氏模量测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种杨氏模量测定仪，包括架台，架台上安装有水平设置的承载台，承载台上设有通孔，钢丝竖直穿过通孔，钢丝的上端连接于架台的顶板，钢丝的下端通过铁钩连接加载托盘，加载托盘内放置加重砝码，夹具夹持于钢丝上，且位于通孔内，夹具的尺寸小于通孔的尺寸；水平放置的上玻璃片通过后支柱固定于承载台上，上玻璃片与下玻璃片的一端铰接，下玻璃片的另一端与竖直设置的前支柱上端固定连接，前支柱下端与夹具相接触。本实用新型结构简单，易实现，同时提高了测量精度和测量效率。

Description

一种杨氏模量测定仪

技术领域

本实用新型属于测量装置技术领域，涉及一种杨氏模量测定仪。

背景技术

现有的杨氏模量测定仪，存在以下缺点：

1.在测量光杠杆前后足间距时，不能保证完全是垂直距离，同时由于光杠杆的尺寸和形状问题，也会使得游标卡尺不能很好地卡紧前后足。通常考虑将光杠杆置于白纸上，用铅笔描出光杠杆三足位置，然后连接两个后足，再过前足作后足的垂线，测量前足到垂足的距离，则可以比较简便地测出前后足间距。但是这样操作则不能用游标卡尺测量前后足间距，故而将会损失一定测量精度；

2.由于采用了光杠杆多次成像的方法放大了微小位移，故而对原来位移的微小扰动，也会同时放大成相当大的干扰，从而影响读取视伸长数值的精确度。在实验中发现，望远镜中的标尺像总是在晃动，很难保证叉丝保持对齐某个刻度线，严重的时候叉丝对准的刻度甚至会有一个相当大的变动范围，大大超过仪器本身的测量误差限度；

3.在测量镜尺间距时，由于距离较远，很难保证钢卷尺水平放置、不弯曲而且两端对齐，光杠杆镜面到尺度望远镜距离测量粗放，只是要求眼睛看着水平就行，显然这样带来的误差将会相当大；

4.实验过程决定数据处理需要采用逐差法，相对较为麻烦，不利于实验的顺利进行，效率低。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种杨氏模量测定仪，结构简单，易实现，同时提高了测量精度和测量效率，解决了现有技术中的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种杨氏模量测定仪，包括架台，架台上安装有水平设置的承载台，承载台上设有通孔，钢丝竖直穿过通孔，钢丝的上端连接于架台的顶板，钢丝的下端通过铁钩连接加载托盘，加载托盘内放置加重砝码，夹具夹持于钢丝上，且位于通孔内，夹具的尺寸小于通孔的尺寸；水平放置的上玻璃片通过后支柱固定于承载台上，上玻璃片与下玻璃片的一端铰接，下玻璃片的另一端与竖直设置的前支柱上端固定连接，前支柱下端与夹具相接触。

进一步的，所述下玻璃片与上玻璃片紧密接触时，夹具的上表面与承载台上表面平齐。

进一步的，所述夹具为十字形夹具，十字形夹具由两块丁字件组成，钢丝夹持于两块丁字件之间，两块丁字件之间通过连接螺栓连接。

进一步的，所述丁字件靠近下玻璃片的一端设有螺纹孔，紧固螺栓螺纹连接于螺纹孔内，紧固螺栓上端与前支柱下端相接触。

进一步的，所述十字形夹具长2.6cm、宽1cm、高3cm，通孔的直径为2.7cm。

进一步的，所述承载台能够沿架台的支架杆上下移动，承载台通过第一调节夹与架台的支架杆连接。

进一步的，所述架台的顶板能够沿架台的支架杆上下移动，架台的顶板通过第二调节夹与架台的支架杆连接。

进一步的，所述承载台上安装有水平仪。

进一步的，所述承载台的下方设有底座，承载台与底座平行，底座通过三个支腿与地面接触，每个支腿上均安装有调平螺丝，底座上安装有水平仪。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用光的等厚干涉测量钢丝微小变形长度，进而测量钢丝的杨氏模量(弹性模量)；单色光光源垂直射入下玻璃片与上玻璃片之间的劈尖空气薄膜，形成等厚干涉条纹，用读数显微镜测出条纹间距，计算得到劈尖空气薄膜的角度，进而得到劈尖空气薄膜的厚度，由于钢丝的微小变形长度与劈尖空气薄膜的厚度相同，通过钢丝的微小变形长度求得钢丝的杨氏模量，实验装置结构简单，测量简便，结果准确性高。

本实用新型用劈尖空气薄膜代替传统试验中的光杠杆，用读数显微镜代替传统试验中的尺度望远镜，与传统测量装置相比，本实用新型降低了操作难度和误差，提高了杨氏模量的测量精度，采用本装置测量杨氏模量的数据处理方法仅为求平均值法，简洁明了，数据处理成本低，效率高；在大学物理实验中，凡牵涉到测量微小长度，如金属线胀系数的测量等，都可采用该装置，只需采用不同的连接方式即可，在大学物理实验中具有较大的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型实施例中试验开始前夹具、下玻璃片、上玻璃片的连接示意图。

图3是本实用新型实施例中钢丝受力变形时夹具、下玻璃片、上玻璃片的连接示意图。

图4是本实用新型实施例中夹具的结构示意图。

图5是本实用新型实施例中夹具与前支柱的连接示意图。

图中，1.架台，2.夹具，2-1.丁字件，2-2.连接螺栓，2-3.螺纹孔，3.承载台，4.水平仪，5.底座，6.调平螺丝，7.加载托盘，7-1.加重砝码，8.第一调节夹，9.钢丝，10.第二调节夹，11.通孔，12.上玻璃片，13.下玻璃片，14.前支柱，15.后支柱，16.铰接件，17.折光板，18.读数显微镜，19.单色光光源，20.紧固螺栓。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例的结构，如图1所示，包括架台1，架台1上安装有水平的承载台3，承载台3上设有通孔11，钢丝9竖直穿过通孔11，钢丝9的上端连接于架台1的顶部，钢丝9的下端通过铁钩连接加载托盘7，加载托盘7内放置加重砝码7-1，夹具2夹持钢丝9，夹具2的尺寸小于通孔11的尺寸；承载台3的下方设有底座5，承载台3与底座5平行，底座5通过三个支腿与地面接触，每个支腿上均安装有调平螺丝6，调平螺丝6用于调节对应支腿的高度，从而使得底座5与地面平行，底座5上安装有水平仪4；

承载台3能够沿架台1的支架杆上下移动，架台1的顶板能够沿架台1的支架杆上下移动，承载台3通过第一调节夹8与支架杆固定连接，架台1的顶板通过第二调节夹10与支架杆固定连接，可通过第二调节夹10调节夹于钢丝9上的夹具2高度，可通过第一调节夹8调节承载台3的高度，第一调节夹8与第二调节夹10分别调节或配合调节使得夹具2位于通孔11中，且夹具2上表面与承载台3上表面平齐。

第一调节夹8、第二调节夹10的结构相同，均包括两个半圆形的夹持部，夹持部夹持于支架杆的外壁，水平设置的螺杆与一个夹持部螺纹连接；旋转螺杆，通过螺纹传动调节两个半圆形的夹持部相互远离，调节承载台3或顶板至合适高度，再反向旋转螺杆，通过螺纹传动调节两个半圆形的夹持部相互靠近，实现承载台3、顶板分别与支架杆的固定。

将水平仪4安装于底座5上，作用是使得底座5和承载台3水平，从而使钢丝9能够垂直于承载台3，水平仪4可以安装于承载台3上，这样能够更直接调节承载台3水平，避免底座5水平而承台未水平的情况发生。

如图2所示，水平放置的上玻璃片12通过后支柱15固定于承载台3上，上玻璃片12的底部通过铰接件16与下玻璃片13的一端铰接，下玻璃片13的另一端与前支柱14上端固定连接或铰接，前支柱14下端与夹具2连接；测量开始前，下玻璃片13上表面与上玻璃片12下表面紧密接触，且夹具2的上表面与承载台3上表面平齐。

如图4-5所示，夹具2采用十字形夹具，十字形夹具由两块丁字件2-1组成，两块丁字件2-1之间通过连接螺栓2-2连接，两块丁字件2-1之间夹持钢丝9，夹具2的一端设有直径为5mm的螺纹孔2-3，紧固螺栓20螺纹连接于螺纹孔2-3内，紧固螺栓20上端与前支柱14下端相接触，用于调节下玻璃片13的垂直高度；十字形夹具长2.6cm、宽1cm、高3cm，通孔11的直径为2.7cm。

前支柱14下端与夹具2连接，前支柱14上端与下玻璃片13固定连接；在夹具2向下运动的过程中，通过前支柱14带动下玻璃片13绕其与上玻璃片12的铰接点向下运动，由于钢丝9的拉伸形变为微小变形(约为10^-6-8m)，钢丝9始终保持竖直，因此下玻璃片13随着夹具2向下移动相同距离，故而夹具2向下移动的距离(即钢丝9的变形量)与空气劈尖的厚度在数值上相等。

本实用新型实施例的试验方法：

1.试验过程：

测量开始前，调节第二调节夹10，使得夹具2的上表面与承载台3上表面平齐，钢丝9为竖直状态，此时下玻璃片13上表面与上玻璃片12下表面紧密接触，使下玻璃片13与上玻璃片12之间没有空气层，如果下玻璃片13上表面与上玻璃片12下表面没有紧密接触，可以通过紧固螺栓20调节下玻璃片13的高度，使其与上玻璃片12下表面紧密接触；在加载托盘7内放置加重砝码7-1，钢丝9被向下拉伸，夹具2随钢丝9向下运动，通过前支柱14拉动下玻璃片13的一端向下运动，上玻璃片12与下玻璃片13之间的空气薄膜组成劈尖，劈尖的角度为θ，如图3所示；打开单色光光源19，平行光的单色光经折光板17垂直射入劈尖，产生等厚干涉，单色光再经下玻璃片13反射后被读数显微镜18接收。

2.试验原理：

根据劈尖干涉规律，通过读数显微镜18观察到的相邻明(暗)条纹间距为b，

其中λ为入射光波长，n为空气折射率，从而得到

承载台3水平，下玻璃片13投影到上玻璃片12上的水平长度H，则钢丝伸长ΔL＝Htanθ≈Hθ，即

测量钢丝9直径D、钢丝9原长L，施加的拉力F＝mg，即加重砝码7-1的重力，则钢丝9的弹性模量E根据式(1)计算：

3.数据处理：

空气折射率n通常取1，由式(1)可得，

由于E、g、L、π、D、λ、H皆为常量，故mb亦为常量；数据纪录见表1：

表1数据记录

m<sub>1</sub>	m<sub>2</sub>	..............	m<sub>n</sub>
				b<sub>1</sub>	b<sub>2</sub>	..............	b<sub>n</sub>

只需对n个m_ib_i求和后取其平均值，带入公式(2)即可求出钢丝9的弹性模量E。

钢丝9直径D、钢丝9原长L、下玻璃片13投影到上玻璃片12上的水平长度H均可以采用游标卡尺精确测出，

需要说明的是，在本实用新型中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种杨氏模量测定仪，其特征在于，包括架台(1)，架台(1)上安装有水平设置的承载台(3)，承载台(3)上设有通孔(11)，钢丝(9)竖直穿过通孔(11)，钢丝(9)的上端连接于架台(1)的顶板，钢丝(9)的下端通过铁钩连接加载托盘(7)，加载托盘(7)内放置加重砝码(7-1)，夹具(2)夹持于钢丝(9)上，且位于通孔(11)内，夹具(2)的尺寸小于通孔(11)的尺寸；水平放置的上玻璃片(12)通过后支柱(15)固定于承载台(3)上，上玻璃片(12)与下玻璃片(13)的一端铰接，下玻璃片(13)的另一端与竖直设置的前支柱(14)上端固定连接，前支柱(14)下端与夹具(2)相接触。

2.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述下玻璃片(13)与上玻璃片(12)紧密接触时，夹具(2)的上表面与承载台(3)上表面平齐。

3.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述夹具(2)为十字形夹具，十字形夹具由两块丁字件(2-1)组成，钢丝(9)夹持于两块丁字件(2-1)之间，两块丁字件(2-1)之间通过连接螺栓(2-2)连接。

4.根据权利要求3所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述丁字件(2-1)靠近下玻璃片(13)的一端设有螺纹孔(2-3)，紧固螺栓(20)螺纹连接于螺纹孔(2-3)内，紧固螺栓(20)上端与前支柱(14)下端相接触。

5.根据权利要求3所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述十字形夹具长2.6cm、宽1cm、高3cm，通孔(11)的直径为2.7cm。

6.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述承载台(3)能够沿架台(1)的支架杆上下移动，承载台(3)通过第一调节夹(8)与架台(1)的支架杆连接。

7.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述架台(1)的顶板能够沿架台(1)的支架杆上下移动，架台(1)的顶板通过第二调节夹(10)与架台(1)的支架杆连接。

8.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述承载台(3)上安装有水平仪(4)。

9.根据权利要求1所述的一种杨氏模量测定仪，其特征在于，所述承载台(3)的下方设有底座(5)，承载台(3)与底座(5)平行，底座(5)通过三个支腿与地面接触，每个支腿上均安装有调平螺丝(6)，底座(5)上安装有水平仪(4)。

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