CN220063899U - 基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种便于观察测量、有效提高实验精度、拓宽测量微小伸长量的实验思路与方法的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置。该实验装置包括支架、钠灯、温控组件、读数显微镜、金属棒，读数显微镜的工作平台上叠放有用于组合构成空气劈尖的下光学玻璃板及上光学玻璃板，采用加热的方式改变金属棒的温度使其受热发生膨胀形变，利用基于劈尖干涉的光学方法测量不同温度下的金属棒的微小形变量，将测得数据运用到表达式之中，从而测出金属棒的膨胀系数，拓宽了测量微小伸长量的实验思路与方法，加深了对劈尖干涉的理解与应用，适合在物理实验技术领域推广应用。

Description

基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置

技术领域

本实用新型涉及物理实验技术领域，具体涉及一种基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置。

背景技术

金属棒膨胀系数是热学实验、力学实验中常开设实验项目之一，目前物理学专业实验室使用千分尺读取微小形变的方式测量金属的线膨胀系数，由于形变量小，实验现象不直观造成该实验的效果差，在实际测量金属棒膨胀系数时，需要测量升高单位温度时金属的长度改变量，然而对于金属材料，温度变化引起长度的变化通常在um数量级，目前一般采用采用光杠杆、千分尺来测量，而光杠杆法和千分尺测量微小距离时由于望远镜的使用和不易观察容易导致测量误差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种便于观察测量、有效提高实验精度、拓宽测量微小伸长量的实验思路与方法的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：该基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，包括支架、钠灯、温控组件、读数显微镜、金属棒；

所述支架的下端设置有基准板，所述基准板的前端设置有矩形缺口，所述矩形缺口内设置有升降板；

所述金属棒的上端通过第一夹紧结构设置在支架的上端，所述金属棒的下端通过第二夹紧结构设置在升降板上；

所述温控组件用于给金属棒进行加热使其发生膨胀；

所述读数显微镜的工作平台上叠放有用于组合构成空气劈尖的下光学玻璃板及上光学玻璃板，所述上光学玻璃板远离读数显微镜的一端通过卡板设置在升降板上；

所述钠灯通过升降式灯座设置在支架的一侧用于给空气劈尖提供入射光源，所述读数显微镜用于观察空气劈尖形成的等厚干涉条纹。

进一步的是，所述第一夹紧结构包括设置在支架的上端横杆上的连接杆，所述连接杆的下端设置有下端开口的圆形套筒；

所述圆形套筒的环形侧壁上左右对称设置有2个螺纹孔，每个螺纹孔内均设置有夹紧螺栓，所述金属棒的上端面与圆形套筒的上侧壁相接触且位于2个夹紧螺栓之间。

进一步的是，所述第二夹紧结构包括设置在升降板上的固定圆环且与圆形套筒上下对应，所述固定圆环的侧壁上左右对称设置有两个滑孔，每个滑孔内均设置有滑杆；

所述滑杆位于固定圆环内的一端设置有弧形夹板，所述滑杆位于固定圆环外的一端设置有圆形拉手，所述滑杆上套设有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的一端设置在圆形拉手上，所述拉伸弹簧的另一端设置在固定圆环的外侧壁上，所述金属棒的下端面与升降板相接触且位于2个弧形夹板之间。

进一步的是，所述温控组件包括直流稳压电源、温控仪、热敏电阻、加热丝；

所述加热丝以螺旋缠绕的方式均布设置在金属棒上，所述加热丝的两端分别与直流稳压电源的输出端的正负极相连；

所述温控仪与直流稳压电源的输出端电连接，所述热敏电阻与温控仪信号连接，所述热敏电阻通过弹性结构抵靠在金属棒用于测金属棒的温度；

所述金属棒的外侧还设置有保温装置，所述保温装置用于维持金属棒处于恒温状态。

进一步的是，所述保温装置包括第一半圆形壳体、第二半圆形壳体；

所述第一半圆形壳体的上侧壁右端设置有第一半圆形缺口且位于前后方向的中部，所述第二半圆形壳体的上侧壁的左端设置有第二半圆形缺口且位于前后方向的中部，所述第一半圆形缺口的直径等于第二半圆形缺口的直径且与连接杆的直径相匹配，所述第一半圆形壳体、第二半圆形壳体下端均与基准板的上表面接触；

所述第一半圆形壳体、第二半圆形壳体共同组成一个圆柱状壳体且二者的上侧壁均与圆形套筒的上表面相接触，所述连接杆位于第一半圆形缺口与第二半圆形缺口组成的圆孔内。

进一步的是，所述弹性结构包括固定杆，所述固定杆的一端设置在第一半圆形壳体的内侧壁上且位于高度方向的中部；

所述固定杆远离第一半圆形壳体的一端端面设置有圆孔，所述圆孔内设置有滑动杆，所述滑动杆与圆孔的孔底之间设置有压缩弹簧，所述热敏电阻设置在滑动杆的一端；

初始状态时，所述压缩弹簧处于自然伸长状态，当第一半圆形壳体、第二半圆形壳体共同组成一个圆柱状壳体时，所述热敏电阻与金属棒相接触且压缩弹簧处于压缩状态。

本实用新型的有益效果如下：

采用加热的方式改变金属棒的温度使其受热发生膨胀形变，利用基于劈尖干涉的光学方法测量不同温度下的金属棒的微小形变量，利用劈尖干涉放大微小形变，通过读数显微镜观察、测量干涉条纹间距并求出微小形变，将测得数据运用到表达式之中，从而测出金属棒的膨胀系数；利用劈尖干涉法测金属棒微小形变的方法，不仅拓宽了测量微小伸长量的实验思路与方法，加深了对劈尖干涉的理解与应用，同时也有效提高实验精度。

附图说明

图1是本实用新型所述的该基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述的该基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置的局部结构的示意图；

图3是本实用新型所述的金属棒设置在支架上的结构示意图；

图4是本实用新型所述的第一夹紧结构的结构示意图；

图5是本实用新型所述的升降板、第二夹紧结构组合结构的示意图；

图6是本实用新型所述的读数显微镜、上光学玻璃板、下光学玻璃板、升降板组合结构的右视图；

图7是本实用新型所述的保温装置的结构示意图；

图8是本实用新型所述的第一半圆形壳体的、热敏电阻、弹性结构组合的结构示意图；

图中标记说明：支架1、钠灯2、读数显微镜3、金属棒4、基准板5、升降板6、上光学玻璃板7、下光学玻璃板8、固定杆9、滑动杆10、卡板11、连接杆12、圆形套筒13、夹紧螺栓14、固定圆环15、滑杆16、弧形夹板17、圆形拉手18、拉伸弹簧19、直流稳压电源20、温控仪21、热敏电阻22、加热丝23、保温装置24、第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26、第一半圆形缺口27、第二半圆形缺口28。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制,仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1-8所示，该基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，包括支架1、钠灯2、温控组件、读数显微镜3、金属棒4，支架1也可以采用现有的高度可调的支架1，方便适配不同长度的金属棒4；

所述支架1的下端设置有基准板5，所述基准板5的前端设置有矩形缺口，所述矩形缺口内设置有升降板6，此处的矩形缺口可以比升降板大一点点，减少摩擦，使得膨胀形变更加的准确；

所述金属棒4的上端通过第一夹紧结构设置在支架1的上端，所述金属棒4的下端通过第二夹紧结构设置在升降板6上，一般情况下，金属棒4选择空心的金属棒4，内部更容易受热发生膨胀形变，当金属棒4发生膨胀形变时，支架1的上端是无法活动的，金属棒4只能向下延展，从而带动升降板6向下发生移动；

所述温控组件用于给金属棒4进行加热使其发生膨胀，金属棒4受热便会发生膨胀；

所述读数显微镜3的工作平台上叠放有用于组合构成空气劈尖的下光学玻璃板8及上光学玻璃板7，所述上光学玻璃板7远离读数显微镜3的一端通过卡板11设置在升降板6上；

所述钠灯2通过升降式灯座设置在支架1的一侧用于给空气劈尖提供入射光源，所述读数显微镜3用于观察空气劈尖形成的等厚干涉条纹，通过温控组件对金属棒4施加不同的温度值，金属棒4受热便会发生膨胀，带动升降板6向下发生移动，使得上光学玻璃板7与下光学玻璃板8之间的夹角发生变化，进而使得干涉条纹之间的间距发生变化，利用基于劈尖干涉的光学方法测量不同温度下的金属棒4的微小形变量，利用劈尖干涉放大微小形变，通过读数显微镜3观察、测量出干涉条纹间距并求出微小形变，将测得数据运用到表达式之中，从而测出金属棒4的膨胀系数，表达式为现有技术，此处不做赘述。

如图3、图4所示，在本实施例中，作为优选的，所述第一夹紧结构包括设置在支架1的上端横杆上的连接杆12，所述连接杆12的下端设置有下端开口的圆形套筒13，也就是圆形套筒13的上端封闭，下端敞开；

所述圆形套筒13的环形侧壁上左右对称设置有2个螺纹孔，每个螺纹孔内均设置有夹紧螺栓14，所述金属棒4的上端面与圆形套筒13的上侧壁相接触且位于2个夹紧螺栓14之间，2个夹紧螺栓14靠近金属棒4的一端的端面做弧形处理，也就是设计成弧形面，能够更好的贴合金属棒4，将其夹的更牢固，夹紧金属棒4时，只需要拧动2个夹紧螺使二者相对运动直至与金属棒4接触后再多紧固一下即可；另外通过2个夹紧螺栓14的间距调整，可以适配不同直径的金属棒，使得实验选择金属棒的尺寸得以拓展。

如图5所示，在本实施例中，作为优选的，所述第二夹紧结构包括设置在升降板6上的固定圆环15且与圆形套筒13上下对应，所述固定圆环15的侧壁上左右对称设置有两个滑孔，每个滑孔内均设置有滑杆16；

所述滑杆16位于固定圆环15内的一端设置有弧形夹板17，所述滑杆16位于固定圆环15外的一端设置有圆形拉手18，所述滑杆16上套设有拉伸弹簧19，所述拉伸弹簧19的一端设置在圆形拉手18上，所述拉伸弹簧19的另一端设置在固定圆环15的外侧壁上，所述金属棒4的下端面与升降板6相接触且位于2个弧形夹板17之间，初始状态时，两个弧形夹板17互相接触且拉伸弹簧19处于拉伸状态，确保金属棒4位于2个弧形夹板17之间时能够将其夹紧，固定金属棒4的下端时，只需要将2个滑杆16向外拉，此时拉伸弹簧19被拉长，使得2个弧形夹板17之间的距离大于金属棒4的直径，将金属棒4的下端放置在2个弧形夹板17之间松手即可，由于拉伸弹簧19的一端设置在圆形拉手18上，所述拉伸弹簧19的另一端设置在固定圆环15的外侧壁上，拉伸弹簧19恢复形变，便可将弧形夹板17抵靠在金属棒4上实现固定，且不会影响金属棒4的膨胀形变；另外，为了进一步提升升降板6与金属棒4下端的稳定性，也可以参照第一夹紧结构，在前后对称设置两个顶紧螺栓，通过两个顶紧螺栓将金属棒4的下端夹紧便可进一步提升升降板4的稳定性，双重保障确保升降板6不会与金属棒4的下端发生相对位移，进一步提升金属棒4的膨胀形变的精确度。

如图1、图2、图3所示，在本实施例中，作为优选的，所述温控组件包括直流稳压电源20、温控仪21、热敏电阻22、加热丝23；

所述加热丝23以螺旋缠绕的方式均布设置在金属棒4上，所述加热丝23的两端分别与直流稳压电源20的输出端的正负极相连，在安全的前提下，直流稳压电源20的电压不超过36V；

所述温控仪21与直流稳压电源20的输出端电连接，所述热敏电阻22与温控仪21信号连接，所述热敏电阻22通过弹性结构抵靠在金属棒4用于测金属棒4的温度，通过热敏电阻22监测金属棒4的温度并传递给温控仪21通过数据形式显示出来便于查看记录；

所述金属棒4的外侧还设置有保温装置24，所述保温装置24用于维持金属棒4处于恒温状态，通过设置的保温装置24有效减少与外界环境发生热交换，制造一个恒温环境。

如图1、图2、图7、图8所示，在本实施例中，作为优选的，所述保温装置24包括第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26；

所述第一半圆形壳体25的上侧壁右端设置有第一半圆形缺口27且位于前后方向的中部，所述第二半圆形壳体26的上侧壁的左端设置有第二半圆形缺口28且位于前后方向的中部，所述第一半圆形缺口27的直径等于第二半圆形缺口28的直径且与连接杆12的直径相匹配，所述第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26下端均与基准板5的上表面接触；

所述第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26共同组成一个圆柱状壳体且二者的上侧壁均与圆形套筒13的上表面相接触，第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26之间可以通过弹性皮筋货绳索固定，也可以通过抱箍之类的固定，能够实现二者结合和分离即可，不做限定，所述连接杆12位于第一半圆形缺口27与第二半圆形缺口28组成的圆孔内，第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26的内侧壁上可以设置绝缘绝热材料，绝缘绝热材料可以选择硅胶材料，可实现绝缘又可以实现保温。

如图8所示，在本实施例中，作为优选的，所述弹性结构包括固定杆9，所述固定杆9的一端设置在第一半圆形壳体25的内侧壁上且位于第一半圆形壳体25高度方向的中部；

所述固定杆9远离第一半圆形壳体25的一端端面设置有圆孔，所述圆孔内设置有滑动杆10，所述滑动杆10与圆孔的孔底之间设置有压缩弹簧，所述热敏电阻22设置在滑动杆10的一端；初始状态时，所述压缩弹簧处于自然伸长状态，滑动杆10的左端位于固定杆9右端面上设置的圆孔内且二者不会脱离，当第一半圆形壳体25、第二半圆形壳体26共同组成一个圆柱状壳体时，所述热敏电阻22与金属棒4相接触且压缩弹簧处于压缩状态，由于压缩弹簧的存在且处于压缩状态，压缩弹簧会对滑动杆10产生一个推力，确保将热敏电阻22抵靠在金属棒4。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：包括支架(1)、钠灯(2)、温控组件、读数显微镜(3)、金属棒(4)；

所述支架(1)的下端设置有基准板(5)，所述基准板(5)的前端设置有矩形缺口，所述矩形缺口内设置有升降板(6)；

所述金属棒(4)的上端通过第一夹紧结构设置在支架(1)的上端，所述金属棒(4)的下端通过第二夹紧结构设置在升降板(6)上；

所述温控组件用于给金属棒(4)进行加热使其发生膨胀；

所述读数显微镜(3)的工作平台上叠放有用于组合构成空气劈尖的下光学玻璃板(8)及上光学玻璃板(7)，所述上光学玻璃板(7)远离读数显微镜(3)的一端通过卡板(11)设置在升降板(6)上；

所述钠灯(2)通过升降式灯座设置在支架(1)的一侧用于给空气劈尖提供入射光源，所述读数显微镜(3)用于观察空气劈尖形成的等厚干涉条纹。

2.根据权利要求1所述的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：所述第一夹紧结构包括设置在支架(1)的上端横杆上的连接杆(12)，所述连接杆(12)的下端设置有下端开口的圆形套筒(13)；

所述圆形套筒(13)的环形侧壁上左右对称设置有2个螺纹孔，每个螺纹孔内均设置有夹紧螺栓(14)，所述金属棒(4)的上端面与圆形套筒(13)的上侧壁相接触且位于2个夹紧螺栓(14)之间。

3.根据权利要求1所述的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：所述第二夹紧结构包括设置在升降板(6)上的固定圆环(15)且与圆形套筒(13)上下对应，所述固定圆环(15)的侧壁上左右对称设置有两个滑孔，每个滑孔内均设置有滑杆(16)；

所述滑杆(16)位于固定圆环(15)内的一端设置有弧形夹板(17)，所述滑杆(16)位于固定圆环(15)外的一端设置有圆形拉手(18)，所述滑杆(16)上套设有拉伸弹簧(19)，所述拉伸弹簧(19)的一端设置在圆形拉手(18)上，所述拉伸弹簧(19)的另一端设置在固定圆环(15)的外侧壁上，所述金属棒(4)的下端面与升降板(6)相接触且位于2个弧形夹板(17)之间。

4.根据权利要求1所述的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：所述温控组件包括直流稳压电源(20)、温控仪(21)、热敏电阻(22)、加热丝(23)；

所述加热丝(23)以螺旋缠绕的方式均布设置在金属棒(4)上，所述加热丝(23)的两端分别与直流稳压电源(20)的输出端的正负极相连；

所述温控仪(21)与直流稳压电源(20)的输出端电连接，所述热敏电阻(22)与温控仪(21)信号连接，所述热敏电阻(22)通过弹性结构抵靠在金属棒(4)用于测金属棒(4)的温度；

所述金属棒(4)的外侧还设置有保温装置(24)，所述保温装置(24)用于维持金属棒(4)处于恒温状态。

5.根据权利要求4所述的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：所述保温装置(24)包括第一半圆形壳体(25)、第二半圆形壳体(26)；

所述第一半圆形壳体(25)的上侧壁右端设置有第一半圆形缺口(27)且位于前后方向的中部，所述第二半圆形壳体(26)的上侧壁的左端设置有第二半圆形缺口(28)且位于前后方向的中部，所述第一半圆形缺口(27)的直径等于第二半圆形缺口(28)的直径且与连接杆(12)的直径相匹配，所述第一半圆形壳体(25)、第二半圆形壳体(26)下端均与基准板(5)的上表面接触；

所述第一半圆形壳体(25)、第二半圆形壳体(26)共同组成一个圆柱状壳体且二者的上侧壁均与圆形套筒(13)的上表面相接触，所述连接杆(12)位于第一半圆形缺口(27)与第二半圆形缺口(28)组成的圆孔内。

6.根据权利要求4所述的基于劈尖干涉的金属线棒膨胀系数测量的实验装置，其特征在于：所述弹性结构包括固定杆(9)，所述固定杆(9)的一端设置在第一半圆形壳体(25)的内侧壁上且位于高度方向的中部；

所述固定杆(9)远离第一半圆形壳体(25)的一端断面设置有圆孔，所述圆孔内设置有滑动杆(10)，所述滑动杆(10)与圆孔的孔底之间设置有压缩弹簧，所述热敏电阻(22)设置在滑动杆(10)的一端。