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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
技術領域：
本發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，屬于物理實驗儀器技術領域。
背景技術：
楊氏模量是反應金屬材料抵抗形變能力的一個物理量，楊氏模量的測量是大學物理實驗的重要內容之一。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驗裝置主要由光杠桿系統、望遠鏡、標尺、游標卡尺、螺旋測微器和砝碼等構成。測量過程中需要調節望遠鏡和平面鏡等高共軸，才能在望遠鏡中觀察到平面鏡反射的標尺像，并通過記錄標尺像的位置讀數變化，計算金屬絲伸長量，進而可以計算中金屬材料的楊氏模量。由于望遠鏡的視野小，實驗中不容易找到標尺像，調節實驗儀器通常要消耗大量的時間。而且實驗者要在望遠鏡和模量儀之間來回跑動調節，帶來了很多的不方便。

發明內容
本發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，不需要在望遠鏡中艱難的找到標尺像，更不需要在望遠鏡和模量儀之間來回跑動調節。和一級光杠桿相比，激光能在光杠桿反射鏡上進行多次反射，極大的放大了金屬絲的微小伸長量。本發明是通過如下技術方案來實現的: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。本發明的原理是:當沒有放砝碼時，調節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生了微小的伸長，通過光杠桿帶動光杠桿反射鏡發生一定角度的偏轉，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行多次反射后最終會打在帶有刻度的光屏上，光屏上激光亮點的數目表示激光在光杠桿反射鏡上反射的次數，記下每次增加砝碼時光屏上激光亮點的數目和最高處亮點的刻度值，從而可以得到金屬絲此時的微小伸長量，通過進一步的計算可以得到金屬絲的楊氏模量。通過下面的計算方法可以計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的角度。當Θ =0時，激光打在帶有刻度的光屏的最低端A點；當偏轉角Θ不為O時，假如激光在光杠桿反射鏡上只能進行一次反射，激光將打在光屏上的N1點。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。當激光在光杠桿反射鏡上能進行兩次反射時，激光最終將打在光屏上的N2點。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)
當激光在光杠桿反射鏡上有η次反射時，
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。本發明的有益效果是:
不需要在望遠鏡中艱難的找到標尺像，更不需要在望遠鏡和模量儀之間來回跑動調節，儀器操作簡捷，很快速的調節和測量實驗。和一級光杠桿相比，激光能在光杠桿反射鏡上進行多次反射，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微小的偏轉角，隨著激光在光杠桿反射鏡上反射次數的增加，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:
當沒有放砝碼時，打開激光器9，調節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在砝碼的拉力下發生了微小的伸長，通過光杠桿5帶動光杠桿反射鏡7發生一定角度的偏轉，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之間進行來回反射，激光束在光杠桿反射鏡7上進行多次反射后最終會打在帶有刻度的光屏10上，光屏10上激光亮點的數目表示激光在光杠桿反射鏡7上反射的次數，記下每次增加砝碼時光屏上激光亮點的數目和最高處亮點的刻度值，通過公式(8)可以得到金屬絲此時的微小伸長量，通過進一步的計算可以得到金屬絲的楊氏模量。
權利要求
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，屬于物理實驗儀器技術領域。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，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；同時儀器操作簡捷，很快速的調節和測量實驗。
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 優先權日2013年3月4日
發明者羅明海, 何云斌, 李派, 李磊, 黃其偉 申請人:羅明海