專利名稱：基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理量的測量裝置，尤其是用于測量金屬絲的楊氏模量的測量裝置，屬于物理實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
楊氏模量是反應(yīng)金屬材料抵抗形變能力的一個(gè)物理量，楊氏模量的測量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。目前，主要利用光杠桿原理通過拉伸法測量楊氏模量，光杠桿法測量楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置主要由光杠桿系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡、標(biāo)尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器和砝碼等構(gòu)成。測量過程中需要調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平面鏡等高共軸，才能在望遠(yuǎn)鏡中觀察到平面鏡反射的標(biāo)尺像，并通過記錄標(biāo)尺像的位置讀數(shù)變化，計(jì)算金屬絲伸長量，進(jìn)而可以計(jì)算中金屬材料的楊氏模量。由于望遠(yuǎn)鏡的視野小，實(shí)驗(yàn)中不容易找到標(biāo)尺像，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器通常要消耗大量的時(shí)間。而且實(shí)驗(yàn)者要在望遠(yuǎn)鏡和模量儀之間來回跑動(dòng)調(diào)節(jié)，帶來了很多的不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置，該測量裝置觀察直觀、操作便捷，不需要在望遠(yuǎn)鏡中艱難的找到標(biāo)尺像，更不需要在望遠(yuǎn)鏡和模量儀之間來回跑動(dòng)調(diào)節(jié)。和一級光杠桿相比，激光能在光杠桿反射鏡上進(jìn)行多次反射，極大的放大了金屬絲的微小伸長量。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置，它包括支架、金屬絲、光杠桿、工作平臺、光杠杠反射鏡、半反半透鏡、激光器和帶有刻度的光屏，所述的金屬絲的上端通過上夾頭連接在支架上，金屬絲的下端通過下夾頭連接砝碼，其特征在于:所述的光杠桿包括光杠桿反射鏡、杠桿支腳和刀口，光杠桿反射鏡與所述的工作平臺垂直，杠桿支腳和刀口等高，刀口放在工作平臺上，杠桿支腳連接在下夾頭上；所述的半反半透鏡和帶有刻度的光屏與工作平臺垂直；半反半透鏡、帶有刻度的光屏和光杠桿反射鏡的下端距離工作平臺等高；光杠桿反射鏡的長度比半反半透鏡的長度更長；帶有刻度的光屏的長度比光杠桿反射鏡的長度更長。本發(fā)明的原理是:當(dāng)沒有放砝碼時(shí)，調(diào)節(jié)激光束出射激光的方向，使激光束的方向與工作平臺平行，激光束射在光杠桿反射鏡上，然后經(jīng)過半反半透鏡，打在帶有刻度的光屏的最低端。放置砝碼后，金屬絲在砝碼的拉力下發(fā)生了微小的伸長，通過光杠桿帶動(dòng)光杠桿反射鏡發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，激光束將以不同的入射角在光杠桿反射鏡和半反半透鏡之間進(jìn)行來回反射，由于光杠桿反射鏡比半反半透鏡更長，所以激光束在光杠桿反射鏡上進(jìn)行多次反射后最終會(huì)打在帶有刻度的光屏上，光屏上激光亮點(diǎn)的數(shù)目表示激光在光杠桿反射鏡上反射的次數(shù)，記下每次增加砝碼時(shí)光屏上激光亮點(diǎn)的數(shù)目和最高處亮點(diǎn)的刻度值，從而可以得到金屬絲此時(shí)的微小伸長量，通過進(jìn)一步的計(jì)算可以得到金屬絲的楊氏模量。通過下面的計(jì)算方法可以計(jì)算出金屬絲的微小伸長量。金屬絲的微小伸長量為:Δ L=d.tan Θ d.θ (I)
其中，d為杠桿支腳和刀口之間的距離，Θ為由于金屬絲微小伸長而引起光杠桿偏轉(zhuǎn)的角度。當(dāng)Θ =0時(shí)，激光打在帶有刻度的光屏的最低端A點(diǎn)；當(dāng)偏轉(zhuǎn)角Θ不為O時(shí)，假如激光在光杠桿反射鏡上只能進(jìn)行一次反射，激光將打在光屏上的N1點(diǎn)。N1和A之間的距離為:
N1A= (D+H).tan2 Θ ^ (D+H).2 θ (2)
其中，D為光杠桿反射鏡和半反半透鏡之間的距離，H為半反半透鏡和帶有刻度的光屏之間的距離。當(dāng)激光在光杠桿反射鏡上能進(jìn)行兩次反射時(shí)，激光最終將打在光屏上的N2點(diǎn)。N2和A之間的距離為:
N2A ^ 2D.tan2 Θ + (D+H).tan4 θ ^ 2D.2 θ + (D+H).4 θ (3)
同理可推算得，
N3和A之間的距離為:
N3A ^ 2D.tan2 Θ +2D.ta n4 θ + (D+H).tan6 Θ ^ 2D.(2+4) Θ + (D+H).6 Θ (4)
N4和A之間的距離為:
N4A ^ 2D.(2+4+6) θ + (D+H).8 θ (5)
當(dāng)激光在光杠桿反射鏡上有η次反射時(shí)，
Nn和A之間的距離為:
NnA ^ 2D.[2+4+6+8+...+2 (η-1)] Θ + (D+H).2η θ (6)
多級光杠桿的放大倍數(shù)為:
n= NnA / Δ L=n(η-1).2D / d+2n.(D+H) / d (7)
金屬絲的微小伸長量:
Δ L= NnA.d / [η (η-1).2D+2n.(D+H) ] (8)
從公式(8)中可以知道，金屬絲的微小伸長量與NnA、d、n、D和H有關(guān)。本發(fā)明的有益效果是:
不需要在望遠(yuǎn)鏡中艱難的找到標(biāo)尺像，更不需要在望遠(yuǎn)鏡和模量儀之間來回跑動(dòng)調(diào)節(jié)，儀器操作簡捷，很快速的調(diào)節(jié)和測量實(shí)驗(yàn)。和一級光杠桿相比，激光能在光杠桿反射鏡上進(jìn)行多次反射，激光在光杠桿反射鏡上每增加一次反射，反射光束就增加一個(gè)微小的偏轉(zhuǎn)角，隨著激光在光杠桿反射鏡上反射次數(shù)的增加，極大的放大了金屬絲的微小伸長量。


圖1是基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置。圖2是基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量原理圖。圖中，I為支架，2為金屬絲，3為上夾頭，4為下夾頭，5為光杠桿，6為工作平臺，7為光杠桿反射鏡，8為半反半透鏡,9為 激光器,10為帶有刻度的光屏，11為杠桿支腳，12為刀口。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2所示的一種基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置，它包括支架1、金屬絲2、光杠桿5、工作平臺6、光杠杠反射鏡7、半反半透鏡8、激光器9和帶有刻度的光屏10，所述的金屬絲2的上端通過上夾頭3連接在支架上，金屬絲2的下端通過下夾頭4連接砝碼，其特征在于:所述的光杠桿5包括光杠桿反射鏡7、杠桿支腳11和刀口 12，光杠桿反射鏡7與所述的工作平臺6垂直，杠桿支腳11和刀口 12等高，刀口 12放在工作平臺6上，杠桿支腳11連接在下夾頭4上；所述的半反半透鏡8和帶有刻度的光屏10與工作平臺6垂直；半反半透鏡8、帶有刻度的光屏10和光杠桿反射鏡7的下端距離工作平臺6等高；光杠桿反射鏡7的長度比半反半透鏡8的長度更長；帶有刻度的光屏10的長度比光杠桿反射鏡7的長度更長。測量方法如下:
當(dāng)沒有放砝碼時(shí)，打開激光器9，調(diào)節(jié)激光束出射激光的方向，使激光束的方向與工作平臺6平行，激光束射在光杠桿反射鏡7上，然后經(jīng)過半反半透鏡8，打在帶有刻度的光屏10的最低端A。放置砝碼后，金屬絲2在砝碼的拉力下發(fā)生了微小的伸長，通過光杠桿5帶動(dòng)光杠桿反射鏡7發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，激光束將以不同的入射角在光杠桿反射鏡7和半反半透鏡8之間進(jìn)行來回反射，激光束在光杠桿反射鏡7上進(jìn)行多次反射后最終會(huì)打在帶有刻度的光屏10上，光屏10上激光亮點(diǎn)的數(shù)目表示激光在光杠桿反射鏡7上反射的次數(shù)，記下每次增加砝碼時(shí)光屏上激光亮點(diǎn)的數(shù)目和最高處亮點(diǎn)的刻度值，通過公式(8)可以得到金屬絲此時(shí)的微小伸長量，通過進(jìn)一步的計(jì)算可以得到金屬絲的楊氏模量。
權(quán)利要求
1.一種基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置，它包括支架(I)、金屬絲(2)、光杠桿(5)、工作平臺(6)、光杠杠反射鏡(7)、半反半透鏡(8)、激光器(9)和帶有刻度的光屏(10)，所述的金屬絲(2)的上端通過上夾頭(3)連接在支架上，金屬絲(2)的下端通過下夾頭(4)連接砝碼，其特征在于:所述的光杠桿(5)包括光杠桿反射鏡(7)、杠桿支腳(11)和刀口( 12)，光杠桿反射鏡(7)與所述的工作平臺(6)垂直，杠桿支腳(11)和刀口( 12)等高，刀口(12)放在工作平臺(6)上，杠桿支腳(11)連接在下夾頭(4)上；所述的半反半透鏡(8)和帶有刻度的光屏(10)與工作平臺(6)垂直；半反半透鏡(8)、帶有刻度的光屏(10)和光杠桿反射鏡(7)的下端距離工作平臺(6)等高；光杠桿反射鏡(7)的長度比半反半透鏡(8)的長度更長；帶有刻度的光屏(10)的長度比光杠桿反射鏡(7)的長度更長。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多級光杠桿放大原理的楊氏模量測量裝置，屬于物理實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域。它包括支架、金屬絲、光杠桿、工作平臺、光杠杠反射鏡、半反半透鏡、激光器和帶有刻度的光屏，所述的金屬絲的上端通過上夾頭連接在支架上，金屬絲的下端通過下夾頭連接砝碼，所述的光杠桿包括光杠桿反射鏡、杠桿支腳和刀口，光杠桿反射鏡與所述的工作平臺垂直，杠桿支腳和刀口等高，刀口放在工作平臺上，杠桿支腳連接在下夾頭上；所述的半反半透鏡和帶有刻度的光屏與工作平臺垂直；半反半透鏡、帶有刻度的光屏和光杠桿反射鏡的下端距離工作平臺等高。使用該測量裝置測量金屬材料的楊氏模量時(shí)，用多級光杠桿代替了一級光杠桿，極大的放大了金屬絲的微小伸長量；同時(shí)儀器操作簡捷，很快速的調(diào)節(jié)和測量實(shí)驗(yàn)。
文檔編號G01N3/14GK103149096SQ20131006594
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者羅明海, 何云斌, 李派, 李磊, 黃其偉 申請人:羅明海