CN218896011U - 一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，涉及物理实验仪器领域，尤其适用于针对丝状样品进行弹性杨氏模量测量，具体装置包括第一光杠杆组件、第二光杠杆组件、第一反射镜、第二反射镜、第一望远镜、第二望远镜、支架、底座、细丝夹、待测物、立柱、承载台、第一平台、第二平台；以所述第一望远镜和第二望远镜二者观测到的伸长量差为基准，按照杨氏模量的计算公式进行计算。本实用新型所述改进方案测试精度高，可以有效减小实验器械所产生的误差。

Description

一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置

技术领域

本实用新型涉及物理实验仪器领域，更具体的说是涉及一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置。

背景技术

固体材料在外力作用下都要发生形变，不同形状物体，产生形变的方式各异，产生最简单的形变是棒、丝状物体受外力拉伸或挤压后的伸长或缩短，当形变不超过某限度时，撤去外力，形变会随之消失，这种现象称为弹性形变。物体发生弹性形变时，内部会产生恢复原状的内应力，杨氏模量是反映材料形变与内应力关系的物理量。

拉伸法是测量丝状样品弹性杨氏模量传统的基本方法之一，是通过作用力与细丝直径和拉伸长度的比例关系，计算样品的弹性模量信息，在物理教学和实际应用中有广泛的应用。但是受测试方法限制，在实际使用过程中，研究者提出了多种改进方法，比如黎绮镟等提出了在平面反射镜上增加水平黑线的方法,赖学辉等提出利用等厚干涉法测量钢丝的杨氏模量，万伟提出了基于横向拉伸法实现了杨氏模量的改进，叶庆提出利用霍尔位置传感器，解决杨氏模量在增加砝码时，由于刻线晃动带来的读数误差问题等，这些方法，都存在一定的缺陷，如果细丝的固定端夹不紧，存在一定的松脱，再者由于缺少标志位而带来的长度测试误差，这些都将造成实验结果存在很大的误差。

针对常规杨氏模量测量仪存在的固定点可能松脱带来的测量误差问题，本实用新型专利详细叙述了杨氏模量测量方法，提出了基于光杠杆的双读数差分法杨氏模量测量装置改进方案，改进方案测试精度高，可以有效地减小实验器械所产生的误差。本实用新型力图在物理实验上，以基础实验的创新为出发点，以提高学生的动手能力为目标，建立从教科书理论到实验教学创新的新体系，激发了学生的创新思维。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，包括：

第一光杠杆组件、第二光杠杆组件、底座、细丝夹、待测物、立柱、承载台；

所述立柱垂直设置在所述底座上，所述立柱顶端安装有细丝夹；所述细丝夹夹紧待测物的一端；所述待测物的另一端设置有承载台；所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件安装在所述立柱上；所述待测物形变带动所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件发生偏移。

可选的，所述第一光杠杆组件包括第一反射镜、第一平台、三角形支架、第一望远镜，第一反射镜垂直固定在三角形支架上并放置于第一平台，通过第一望远镜观察第一反射镜，所述第二光杠杆组件包括第二反射镜、第二平台、三角形支架、第二望远镜，第二反射镜垂直固定在三角形支架上并放置于第二平台，通过第二望远镜观察第二反射镜。

可选的，所述第一望远镜和第二望远镜同时通过螺丝固定在支架上，第一望远镜在第二望远镜的上方，所述支架上设置有竖直标尺H，通过望远镜观察反射镜中竖直标尺H。

可选的，所述底座水平放置，所述底座与立柱垂直固定连接，所述立柱顶部设置横梁，横梁中间设置细丝夹夹紧待测物。

可选的，所述第一平台和第二平台同时与立柱螺丝固定连接，所述第一平台在第二平台上方，所述平台中具有小孔，圆柱形夹头夹紧待测物置于小孔中。

可选的，所述三角形支架在使用前其后足置于平台凹槽内，后足置于圆柱形夹头上，整体水平放置。

可选的，所述第一望远镜和第二望远镜二者获得的伸长量差为基准，根据公式计算杨氏模量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开了一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，尤其适用于针对丝状样品进行弹性杨氏模量测量。

本实用新型技术方案通过双光杠杆进行测量，以所述两个望远镜获得的伸长量差为基准，按照杨氏模量的计算公式进行计算，能够使测试结果更加准确，避免了测量装置存在的固定点可能松脱带来的测量误差问题，以基础实验的创新为出发点，以提高学生的动手能力为目标，建立从教科书理论到实验教学创新的新体系，激发学生的创新思维。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的装置结构示意图；

其中1为第一光杠杆组件、2为第二光杠杆组件、3为第一反射镜、4为第二反射镜、5为第一望远镜、6为第二望远镜、7为支架、8为底座、9为细丝夹、10为待测物、11为立柱、12为承载台、13为第一平台、14为第二平台。

图2为本实用新型的原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，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。

本实用新型实施例公开了一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，包括第一光杠杆组件、第二光杠杆组件、底座、细丝夹、待测物、立柱、承载台；

所述立柱垂直设置在所述底座上，所述立柱顶端安装有细丝夹；所述细丝夹夹紧待测物的一端；所述待测物的另一端设置有承载台；所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件安装在所述立柱上；所述待测物形变带动所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件发生偏移。

所述第一光杠杆组件包括第一反射镜、第一平台、三角形支架、第一望远镜，第一反射镜垂直固定在三角形支架上并放置于第一平台，通过第一望远镜观察第一反射镜，所述第二光杠杆组件包括第二反射镜、第二平台、三角形支架、第二望远镜，第二反射镜垂直固定在三角形支架上并放置于第二平台，通过第二望远镜观察第二反射镜；所述第一望远镜和第二望远镜同时通过螺丝固定在支架上，第一望远镜在第二望远镜的上方，所述支架上设置有竖直标尺H，通过望远镜观察反射镜中竖直标尺H；所述底座水平放置，所述底座与立柱垂直固定连接，所述立柱顶部设置横梁，横梁中间设置细丝夹夹紧待测物；所述第一平台和第二平台同时与立柱螺丝固定连接，所述第一平台在第二平台上方，所述平台中具有小孔，圆柱形夹头夹紧待测物置于小孔中；所述三角形支架在使用前其后足置于平台凹槽内，后足置于圆柱形夹头上，整体水平放置；所述第一望远镜和第二望远镜二者获得的伸长量差为基准，根据公式计算杨氏模量。

在具体实施过程中，本实用新型的结构如图1所示，底座上装有两根立柱和调节螺丝。调节螺丝可使立柱铅直，并由平台上的水准泡来判断。金属丝的上端被横梁上的夹子夹紧，立柱的中部有一个可以上下滑动的平台用来承托光杠杆组件。平台上有小孔，孔中有一个可以上下滑动的圆柱形夹子，待测物夹紧在圆柱形夹子中。夹子下面的金属丝上系有承载台，用来承托拉待测物的砝码。水准泡指示水准时，圆柱形夹子就能自由悬垂于圆孔中。

一个直立的平面镜放在三角形支架上组成光杠杆，光杠杆的三个足尖成等腰三角形，使用时两前足尖放在平台的凹槽内，后足尖放在夹紧待测物的园柱形夹头上，在反射镜前放有另一支架，其上设置有两组望远镜和竖直标尺H，从望远镜中同时能看到望远镜的基准叉丝线C和标尺H的清晰像，从而可读出叉丝线在标尺像上的位置。

光杠杆的原理示意图如图2所示，当待测物下端承载台上不放砝码时，光杠杆和标尺H平行，望远镜叉丝C对准标尺经平面镜反射回的刻度值为C；当待测物下端增加一定质量的砝码后，待测物被拉长，夹紧待测物的圆柱形夹头下降，光杠杆的后足随之下降，平面反射镜以光杠杆两前足为轴转过一微小角度α，根据光的反射定律，反射线将旋转2α角，这时望远镜叉丝对准标尺的刻度值为B，标尺上刻度值改变量N＝CB.由于ΔL很小，反射镜偏转角也极微小，所以满足：

由于α角很小，所以

tanα≈α                                 (3)；

得

即

式(5)中的ΔL由ΔL₁和ΔL₂组成，ΔL₁即为所求金属丝的伸长量，而ΔL₂是因重物的重量使仪器支架产生的形变或是由于细丝夹松脱带来的长度变化，即图1中细丝夹的下降高度。在仪器的操作中正是因为ΔL₂的存在使测量值ΔL与真实值ΔL₁有差距，所以测出的杨氏模量有误差。

根据胡克定律，在弹性限度内有：

即

E称为杨氏模量，它仅与材料的性质有关。

把(5)带入(7)中得：

为了避开仪器形变造成的误差，在所测待测物上与仪器支架上再选一点设置一个光杠杆，如图1所示。设置细丝夹所处位置点为A，第一平台所处位置点为Q，第二平台所述位置点为G，A点位置的改变为ΔL_A，Q点位置的改变为ΔL_Q，G点位置的改变为ΔL_G，AQ段金属丝的伸长量为ΔL_AQ＝ΔL_Q-ΔL_A，GQ段金属丝的伸长量为ΔL_QG＝ΔL_G-ΔL_Q，因为ΔL_G和ΔL_Q可以被测量出来，所以测量时以Q、G点距离为L，ΔL_QG＝ΔL_G-ΔL_Q为ΔL，这样就可以通过公式(7)求得杨氏模量E，避开了因为仪器形变带来的误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，包括：第一光杠杆组件(1)、第二光杠杆组件(2)、底座(8)、细丝夹(9)、待测物(10)、立柱(11)、承载台(12)；

所述立柱(11)垂直设置在所述底座上，所述立柱顶端安装有细丝夹；所述细丝夹夹紧待测物的一端；所述待测物的另一端设置有承载台；所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件安装在所述立柱上；所述待测物形变带动所述第一光杠杆组件和所述第二光杠杆组件发生偏移。

2.根据权利要求1所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一光杠杆组件(1)包括第一反射镜(3)、第一平台(13)、三角形支架、第一望远镜(5)，第一反射镜(3)垂直固定在三角形支架上并放置于第一平台(13)，通过第一望远镜(5)观察第一反射镜(3)，所述第二光杠杆组件(2)包括第二反射镜(4)、第二平台(14)、三角形支架、第二望远镜(6)，第二反射镜(4)垂直固定在三角形支架上并放置于第二平台(14)，通过第二望远镜(6)观察第二反射镜(4)。

3.根据权利要求2所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一望远镜(5)和第二望远镜(6)同时通过螺丝固定在支架(7)上，第一望远镜(5)在第二望远镜(6)的上方，所述支架(7)上设置有竖直标尺H，通过望远镜观察反射镜中竖直标尺H。

4.根据权利要求1所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述底座(8)水平放置，所述底座(8)与立柱(11)垂直固定连接，所述立柱(11)顶部设置横梁，横梁中间设置细丝夹(9)夹紧待测物(10)。

5.根据权利要求2所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一平台(13)和第二平台(14)同时与立柱(11)螺丝固定连接，所述第一平台(13)在第二平台(14)上方，所述平台中具有小孔，圆柱形夹头夹紧待测物置于小孔中。

6.根据权利要求2所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述三角形支架在使用前其后足置于平台凹槽内，后足置于圆柱形夹头上，整体水平放置。

7.根据权利要求2所述的一种改进的光杠杆双读数差分法的杨氏模量测量装置，其特征在于，所述第一望远镜(5)和第二望远镜(6)二者获得的伸长量差为基准，根据公式计算杨氏模量。

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