[发明专利]基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量装置，包括竖直设置的支架，支架上设有转轴，转轴上设有均可绕转轴转动的转动臂和光栅；转动臂上设有平行光源，支架上设有用于观察光栅衍射光的望远镜，望远镜和平行光源分别位于光栅两侧，平行光源发出的光线指向光栅；转动臂与试件下端相连，试件上端固定；光栅与游标转盘相连，游标转盘可随着光栅一起转动，支架上设有刻度盘，游标转盘和刻度盘配合可读取光栅的转动角度。本发明还提供一种基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量方法，运用光栅衍射原理测量杨氏模量的微小伸长，可提高放大倍数，降低实验的操作难度。

技术领域

本发明属于杨氏模量测量技术领域，具体涉及一种基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量装置及测量方法。

背景技术

长度为L、截面积为S的金属丝在力F作用下伸长ΔL时，F/S叫应力，其物理意义是金属丝单位截面积所受到的力；ΔL/L叫应变，其物理意义是金属丝单位长度所对应的伸长量。应力与应变的比叫杨氏弹性模量。

测量杨氏模量是大学物理实验的重要实验，大学物理实验室通常采用常采用静态拉伸法进行测量金属钢丝的杨氏模量。大多数高校在实验中均选用光杠杆法来进行微小量ΔL的测量，光杠杆测量有如下缺点：(1)光杠杆距离望远镜距离约为1m，这样就导致测量过程不方便，学生在实验当中一方面要到钢丝前加载/减载砝码，另一方面要到望远镜后读取示数。(2)放大倍数低：光杠杆的放大倍数通常为三十到四十倍数量级，即可以将10^-4m数量级的微小伸长量放大到可测的mm数量级。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种操作简单、放大倍数更大的杨氏模量微小伸长量测量装置及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量装置，包括竖直设置的支架，支架上设有转轴，转轴上设有均可绕转轴转动的转动臂和光栅；转动臂上设有平行光源，支架上设有用于观察光栅衍射光的望远镜，望远镜和平行光源分别位于光栅两侧，平行光源发出的光线指向光栅；

转动臂与试件下端相连，试件上端固定；光栅与游标转盘相连，游标转盘可随着光栅一起转动，支架上设有刻度盘，游标转盘和刻度盘配合可读取光栅的转动角度。

优选地，所述支架下端与底座相连，支架下端一侧设有齿板，底座上设有与齿板配合的调节齿轮。

优选地，所述底座上设有用于固定调节齿轮的固定螺钉。

优选地，所述转动臂与连接件可转动连接，试件下端穿过连接件与挂钩相连。

优选地，所述游标转盘上设有两个游标，两个游标设于游标转盘上相隔180度的对称位置。

优选地，所述光栅通过定位螺钉安装在固定夹片上，固定夹片与转轴可转动连接。

优选地，所述固定夹片可通过锁死螺钉与转轴固定。

本发明提供一种基于光栅衍射的杨氏模量微小伸长量测量方法，包括以下步骤：

S1、调节游标转盘，使光栅平面垂直于水平面，打开平行光源，调整望远镜，使零级衍射光与望远镜视野中的横向叉丝重合，记下此时游标转盘相隔180度对称位置两个游标的读数α₁和α₂；

S2、调整转动臂，使第k级衍射光与望远镜视野中的横向叉丝重合，此时转动臂与水平位置的夹角为使试件处于伸张状态，上端固定，下端与转动臂相连；

S3、使用拉力计在试件下端加载一个砝码，转动臂将在原来的基础上增加Δθ角度，望远镜视野中第k级衍射光将偏离横向叉丝位置；