杨氏模量实验装置的改进.pdf

2074.14
理论与算法
杨氏模量实验装置的改进
李书婷
(商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛,726000)
摘要:文章通过対杨氏模量实验难点的分析,对杨氏模量实验仪器进行改进设计,借助激光器利反射镜提出了一种了操作
更加简单直接,实验成本更低的实验装置设计方案
关键词:杨氏模星;半导体激光器;改进
PACS:01.50.Pa,62.25.Mn
Improvement on the Experiment Measuring Yang s Modulus*
I,i Shuting
(Shool of Electronic Information and Electrical Engineering, Shangluo University, Shangluo, 726000
China)
Abstract: Art ic lc improve the youngs modul us cxperimental apparatus through anal y ing the di lics o
young s modulus experiment. it puts forward a kind of experimental device design that operation more simple
and direct operation, and the design cost lower
Keywords: Young s modu I us: Semiconduc tor laser; improve
杨氏模量测定实验是大学物理的重要实验之一.大学物理
实验中测量金属丝的拉伸杨氏模量实验如下图1其测定方法
定夹头
标
望远
妙,但其读数要通过尺度望远镜,尺度望远镜读数更精确,但
同时望远镜视场太小,要调节尺度望远镜再其内观察到光杠杆
反射的竖直尺的像,往往需要很长时间,是整个实验的一个难
活动夹头
点与关键所在.为克服杨氏模量实验测定实验的这一难点,作
砝
望远镜和标尺
者利用激光的方向性好和聚東性好的特点对原实验装置进行了
改进,即避开在尺度望远镜视场内找像的难点同时又保留原实
验放大和反射调平的优点,使实验调节变的更加简单,数据义
调节钉
不失去其精确性,同时也在一定程度上降低了实验成本
传统杨氏模量实验装置及改进设计
?1传统用光杠杆法测杨氏模量实验的装置简图
如上图1所示,图中左边待测钢丝上端夹紧在支架的顶端,
材料的拉伸杨氏模量的定义カにの→YS().只下端也用圆柱夹头夹紧,圆柱夹头穿过固定平台的圆孔,能随金
F?L
属丝的伸缩而上下移动,其下端挂有砝码挂钩;右边是用位置可
要测出材料的原长L,受カF,受カF时的长度増长量び及收力以移动螺母固定在尺度望远镜支架上的尺子和尺度望远镜的镜
前的横截面积△S就可以根据公式(1)计算材料的拉伸杨氏模量简。光杠杆的两个前脚尖放在固定平台前沿的槽内,后脚尖放在
活动圆柱体的上端。当砝码钩上增加或減少砝码时,光杠杆的后
传统杨氏模量实验
脚也随圆柱体下降(或上升),钢丝将伸长或缩短。
1.1.1传统杨氏模量实验的装置图及说明
1.1.2传统杨氏模量实验原理
映西省教育厅自然科学基金项日(批准号:10.JK530)、商洛学院科研基金资助项日(批准号:09sky012)
甲壬测试
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理论与算法
2014.14
像是一个非常复杂和麻烦的过程,在实验中经常有学生调节几个
小时都不能看到尺子的像,增加了实验的难度,同时尺度望远镜
造价也比较高。
1.2改进杨氏模量实验装置和原理
1.2.1改进的杨氏模量实验装置及说明
M
如图3,待测金属丝A和参考金属丝B上端通过螺母C和D
固定在支架上板F上,下端分别固定在一个微型半导体激光器R
图2传统杨氏模量测量用的光杠杆原理图
的两端,并通过调节激光器R后部螺母!调节激光器R长度使
如图2,M是光杠杆的反射镜,d为光杠杆第三脚到镜面的A和B保持平行,待测金属丝A下端连有T型挂钩Q.软尺L.上
垂直岬离,山为光杠杆的反射镜镜面到尺子的垂直距离。在増减端悬挂在支架H上,为保持其竖直,下端挂有重锤G,软尺上有
砝码时,随待测金属丝的伸长与缩短反射镜的第三角下降或上チ一位置可以沿软尺上下移动的轻型反射镜?注:为了看起来更
使得反射镜的法线方向改变。假设待测金属丝为原长时,从望远
清楚,图4中没有画出实验装置支撑架板F的支撑杆,只画支
镜中看到反射镜中尺子的读数为A,当待测金属丝的伸长为8撑架的上板
时,从望远镜中看到反射镜中尺子的读数为Ai.当待测金属丝
1.2.2改进的杨氏模量实验装置的原理
的伸长为6时,村应的光杠杆反射镜的角度变化为0,而对应
实验中通过垂直射在平面镜镜面的光束的反射光原路返
望远镜中看到反射镜中尺子的读数改变量AA.由光路可逆可以回使得初始激光束垂直于竖直尺子.当铁丝下端的挂钩上加上
得知,AA对应光杠杆反射镜的张角为20.用几何方法可得出
砝码时,我们通过调节激光器的长度,使得待测铁丝再次与参
ngoro=4
考金属丝保持平行,待测金属丝被拉伸使得激光器后端下沉
激光器发出的激光束上斜如图1虚线所示OP".如图4所虚线
g2≈244
所示,由于待测金属丝A,参考金属丝B,及软尺L始终保持平
行,NOP三点
点一线,所以△ON
所
(2)、(3)式联立有:5=っ41(4)
NN ' ON
以p=→MN=ox"即只要测出两根金属丝之间的垂直
距离N及参考金属丝到竖直尺之间的垂直距离P及挂上砝码
代(4)式入(1)式有
S·8Sd,△A4
后光线的改变P,就可以通过上式近似计算铁丝的伸长
进而应用公式利用逐差法计算出材料的杨氏模量
1.1.3传统杨氏模量测量实验的优点和缺点分析
传统杨氏模量测量实验装置,利用了光杆的放大作用米测
1.3用改进实验装置进行实验的步骤
1.3.1.实验时我们先调节螺母和C改变半导体激光器R
量微小长度的改变量,具有性能稳定,精度高,而且是线性放大等
的长度,使得待测铁丝与参考金属丝保持平行;然后打开激光
优点。但是该方法采用尺度望远镜米读数,尺度望远镜视场小,在
器,再调节支架Ⅱ的位置使得半导体激光器R发出的激光束正好
和反射镜组成光杠杆系统时,要在尺度望远镜中看到尺子的清晰
打在竖直悬推的软尺L的正面
3.2.然后调节反射镜位置到激光束所打位置,再通过调
节螺母C或D改变待测金属丝A或参考金属丝B的长度,使得
肘在反射镜M上的激光束原路返回,也就是垂直M入射,如上
图3实线所画光束OIP,去掉镜子M,记下此时光束所射位置P
3.3.测星并记录两根金属丝之间的垂直距离N及参考金
属丝到软尺的垂直距离OP和待测铁丝的长度及直径
1.3.4.在待测金属丝A下端的挂钩Q上加一定质量的砝码
调节半导体激光器长度使得2条金属丝再次保持平行,此时待
测金属丝A受力拉伸,拉动半导体激光器R左端下移,则射出光
线射在软尺的上端处P,记下此时的位置,此时射出光线如图
4中虚线OP'所示
图3杨氏模量实验的改设计装置简图
1.3.5.増加下