[发明专利]单缝衍射法测量细丝杨氏模量的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用物理光学方法测量材料力学量的实验装置及方法，特别是单缝衍射法测量细丝杨氏模量的装置及方法。

背景技术

杨氏弹性模量是描述固体材料抵抗变形能力的重要物理量，是工程技术中的常用参数，杨氏弹性模量的测量也是大学物理实验中的经典实验之一。

现有技术中杨氏模量的测量方式主要是静态法和动态法；在一些测试特别是大学物理实验中，现有的杨氏模量测量方法主要是光杠杆法。光杠杆法测量装置主要由望远镜、支架、金属丝固件、小反射平面镜、标尺、砝码、螺旋测微计、游标卡尺、米尺等构成。测量过程中通过调节使得观测者能够从望远镜中清晰的看到标尺的像，然后逐渐加砝码使金属丝被拉长，通过金属丝伸长的微小长度、小反射平面镜转过的角度及望远镜像中标尺读数差的关系得到杨氏弹性模量。该测量方法和装置存在以下的缺点：它是将微小的长度变化通过光杠杆法进行放大后进行测定，因此通过望远镜看镜子中标尺像时会出现像难调节的问题；传统的测量中，是将非竖直平面的光路近似看成是同一竖直平面的光路，存在一定的误差；标尺的读数是通过望远镜观测到的，观察时会产生视觉差，标尺的精确度较低。为了解决上述问题，现在有利用单缝衍射原理来测量金属丝杨氏模量的论文及专利，但这些技术仍然存在一定的问题，问题之一就是金属丝在进行测量的过程中会遮挡两刀口之间的缝隙，若光照到金属丝也会产生衍射，影响被测衍射条纹。因此现在需要一种能够解决上述问题的装置或方法，来准确测量金属丝的杨氏弹性模量。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述不足，提出一种结构简单，设计巧妙，采用比传统的测量方法更直接的方式进行测量的，工艺简单，制造成本低廉、误差小的单缝法衍射法测量多种不同材质细丝杨氏模量的装置。

发明的技术解决方案是：一种单缝衍射法测量细丝杨氏模量的装置，其特征在于：所述的装置包括激光器、单缝装置1和观测屏装置2，激光器发出的平行光垂直射入单缝装置1的缝隙后，经单缝衍射后投射在观测屏装置2上，单缝装置1包括带有底座的支架4，支架4的上端设置有夹子5，夹子5下端固定有待测细丝6，待测细丝6的下端由锁紧螺钉锁定在单缝的上刀片8上，上刀片8能够在框架7上纵向滑动，框架7设置在连接杆14上，并且连接杆14能够在支架4上移动并锁定，在框架7的底部设置有与上刀片8在纵向上共面的下刀片11，上刀片8和下刀片11两刀口之间为单缝装置1的缝隙9，与上刀片8固定连接有连接片3，连接片3与上刀片8相互平行，并且在连接片3上开设有宽缝10，宽缝10的长度与缝隙9相配，宽缝10的宽度比缝隙9大，而缝隙9又与宽缝10重合，连接片3的底边框13上设置有悬挂绳12，悬挂绳12的底部可连接砝码，观测屏装置2包括纵向设置的、带有底座且具有一定宽度的标尺框架，标尺框架上设置有螺杆19和标尺15，螺杆19的上端设置有带有刻度的鼓轮16，螺杆19上螺纹连接有移动块17，移动块17上设置有指向标尺15的指针18。

一种利用如上所述的装置测量细丝杨氏模量的方法，其特征在于：所述的方法按照以下步骤进行：

a、将长度为L，直径为d的待测细丝6的上端通过夹子5固定在支架4上，待测细丝6的下端固定在上刀片8上，在悬挂绳12的下方悬挂质量为m₁的砝码，使待测细丝6伸直，

b、通过调节连接杆14在支架4上的高度，使上刀片8和下刀片11两刀口之间的缝隙9的宽度达到既有利于测量、又保证增加砝码后缝隙9不闭合，此时缝隙9的宽度为a₁，开启激光器，激光经过缝隙9后会在观测屏装置2上产生明显且便于测量的衍射条纹，

c、旋转鼓轮16，让移动块17在纵向上移动，并控制指针18分别与衍射条纹中央明纹的上、下限重合，两坐标的差值即衍射条纹±1级暗纹的间距为中央明纹的宽度 x₁，

d、在悬挂绳12上增加砝码，让待测细丝6发生微小的弹性伸长，上刀片8和连接片3共同相对于框架7向下位移，缝隙9的宽度变小，此时缝隙9的宽度为a₂，重复c步骤操作，测量出此时中央明纹的宽度x₂，此时砝码的总质量为m₂，

e、缝隙9至观测屏装置2的距离为D，激光波长为λ，将上述的L、d、m₁，m₂，x₁，x₂和D、λ带入公式：

计算出待测细丝6的杨氏模量。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：