测量弹性极小形变高精度仪器的制作方法

技术领域：本发明属教学专用器材，特别是弹性微小形变放大、测量的专用器材。

背景技术：
：目前在教学领域、要看到桌面发生弹性微小形变所能用到的器材就是图1注1，其演示效果是定性演示而不是量化演示、更不是高精度测量。图1显示微小形变装置的放大效果是怎样产生的，书中是这样解释的“由于两面镜子之间的距离较大，光点会在刻度尺上有明显的移动，把桌面的形变显示出来注2”这不是确切的解释和理论的说明注3。用公式δx＝(r/θnr)δy注4分析图1的相关量是，两面镜子距离越大放大效果越小、两面镜子距离越小放大效果越大注5，这与书中的解释相反；书中也没给出装置的性能参数，图1放大倍数(r/θnr)≤200-400倍、微小形变的δx≥10^-2毫米而小于这个参数的形变将不能被显示。即使图1编辑者也没有意识到与理解到，放大微小形变的确切原因是什么，这是非显而易见的现有技术及现有技术应用情况、这是被最普遍忽视的内在逻辑性教学的偏见至今已32年了注6。

技术实现要素：
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(1).要解决的技术问题：图1放大原理是怎样发生的，图2高精度测量在技术上的实现。用公式δx＝(r/θnr)δy分析图1放大原理：是每一平面镜反射光束中有二倍角增减量的变化规律注7引起的放大效果，二倍角增减量是每一平面镜一次反射光束、一次2倍角放大的一次发生，两面镜子的两次反射其放大倍数就是6倍。图2是在二倍角放大的基础上应用函数θn＝2ⁿ⁺¹-2注8变化规律，以其θn＝2ⁿ⁺¹-2注8的倍数增大，这是二倍角增减量按函数θn＝2ⁿ⁺¹-2注8变化的规律，将这一规律应用到本仪器的放大技术。

(2).技术方案：在测量弹性极小形变高精度仪器，应用光的反射定律中2倍角增减量的变化规律的反射镜，其特征是反射镜的2倍角增减量的变化规律遵循函数θn＝2ⁿ⁺¹-2注8的规律变化的技术方案，函数中n表示反射镜的个数、反射光线的次数、放大二倍角的次数，每一平面镜可以水平方向为轴和垂直方向为轴的两个方向调节，使之具有反射光束指向功能，根据精度的需要反射镜数量可取n＝3、4、5、…个。图2结构、平面镜a固定在小框b内、小框和中框c以竖直轴连接，在大框f内有4个中框c或d，在大框和中框以横轴连接，在中框上边竖直轴连接中处固定顶针图3调节平面镜以竖直轴转动的角度，在大框和中框的横轴连接处的大框边中固定顶针图3调节平面镜以横轴转动的角度。大框上、下的距边1厘米处各有两个孔直径6毫米为f之间的组合穿接金属杆之用增f或减f。图9是一个透镜其上有毫米刻度、其边有四框、四框有底座图12支撑、在四框左右的边处各有一个高亮二极管发射蓝光来标注光点位移。图2由2个反射面构成、每一个面由1个或n个f串接组成、从一组至n组是根据放大倍数和精度的需要串接f的组数。

仪器测量要用公式计算：δx＝(r/θnr)δy、当r＝r时、r/r＝1公式简化为δx＝(1/θn)δy这时要把带有刻度尺的透镜移到与最后一次反射镜的距离和小r一样的距离等长位置、使得r＝r，此时只要读出透镜上光点位移间距δy、即两条蓝光的间距是多少毫米、即可知到被测δx数值。仪器测量精度在10^-3至10^-10毫米或更为极小变化量均可测量，把微米、纳米、皮米级及以下的变化量精准的测量出来。

(3).有益效果：相比图1和图2相对桌面形变θ角放大参数，图1是根据函数θn＝2ⁿ⁺¹-2即当n＝2、θ2＝2²⁺¹-2＝6倍，图2是根据函数θn＝2ⁿ⁺¹-2即当n＝32、θ32＝2³²⁺¹-2＝8589934590倍。

附图说明：

1页、图1：现有教学使用的显示微小型变的装置.

2页、图2：测量弹性极小形变高精度仪器测量示意图.

3页、图3：是调节平面镜以水平方向为轴和垂直方向为轴的两个方向角度的顶针；(1)带弹簧的自动顶针、(2)手动螺纹顶针.

4页、图4：反射面由16面反射镜即由四组f大框串接组成.

5页、图5：是图4右上角的放大图.

6页、图6：a平面镜、用a表示、b小框、c中框、d是a、b、c的组合图、e或f大框由4个d或c构成、图6中1、2、3为b、c、d的俯视图、图6中4、为e侧视图、图6中f是a、b、c、d、e、的组合构成大框.

7页、图7是图6的部分放大图.

8页、图8：是反射面图4的短底座.

9页、图9是带有毫米刻度的透镜即显示光点的装置，其边有四框、在四框左右的边处、各有一个高亮二极管发射蓝光来标注光点位移间距的旋钮.

10页、图10是图9的俯视图的放大图.

11页、图11是图9的侧视图的放大图.

12页、图12长底座，是图9的底座.

具体实施方式：图2由2个反射面构成、每一个面由多个f串接组成、从一组f至多组是根据放大倍数和精度的需要，串接f的组数。

例如1：取n＝10块镜片，根据函数θn＝2ⁿ⁺¹-2有、θ10＝2¹⁰⁺¹-2＝2046数值，即θ10＝2046，则桌面微小形变θ角放大倍数就是2046倍。

例如2：取n＝20块镜片，根据函数θn＝2ⁿ⁺¹-2有、θ20＝2²⁰⁺¹-2＝2097150数值，即θ20＝2097150，则桌面微小形变θ角放大倍数就是2097150倍。

例如3：取n＝30块镜片，根据函数θn＝2ⁿ⁺¹-2有、θ30＝2³⁰⁺¹-2＝2147483646数值，即θ30＝2147483646，则桌面微小形变θ角放大倍数就是2147483646倍。

附录

注1：全日制普通高级中学教科书(必修)高中物理第一册是(人民教育出版社出版2003年6月第1版，2004年6月黑龙江第二次印刷)图1在第6页(图1-10).

注2：和注1同在6页(图1-10)实验解释、全文引证：“图1-10是一种显示微小形变的装置，它可以把微小形变放大到可以直接看出来.在一张大桌子上放两个平面镜m和n，让一束光依次被这两面镜子反射，最后射到一个刻度尺上，形成一个光点.用力压桌面，镜子要向箭头所示的方向倾斜.由于两面镜子之间的距离较大，光点会在刻度尺上有明显的移动，把桌面的形变显示出来”.

注3：图1把微小形变放大的原因是θnr确定的、r与二倍角二次增量θn＝2ⁿ⁺¹-2的乘积，并不是r引起的即书中所述：两面镜子之间距离较大的原因.

注4：是本人推导出的公式、用公式能准确分析图1和图2的变化特征.

测量计算公式：δx＝(r/θnr)δy

公式中δx：表示桌面的微小变化量

δy：对图1是刻度尺上光点的位移；对图2是带有毫米刻度尺的透镜上光点的位移及、即两条蓝光的间距。

r：对图1是两个平面镜距离的一半长度；对图2是两个16块平面镜构成的反射面之间的距离一半长度。

r：对图1是第二个平面镜到刻度尺的距离的长度；对图2是最后一次反射光束的平面镜到带有毫米刻度尺显示光点的透镜的距离的长度。

θn：是函数θn＝2ⁿ⁺¹-2的函数值即平面镜第n次反射角偏转量且相对桌面形变θ角的放大倍数、这也是测量仪器的放大参数、测量仪器的通项公式，2是每一平面镜一次反射光束中的2倍角的增减量，2ⁿ⁺¹表示第n+1面平面镜反射光线偏转角的2倍角增减量的变化遵循指数函数θ(n)＝2ⁿ的规律变化的量。

注5：测量计算公式：δx＝(r/θnr)δy将公式变形可看到：δx/δy＝r/θnr有r与δy反比关系即两面镜子距离越大放大效果越小，又有δx与θnr反比关系即放大倍数越大越能显示微小形变，θn＝6是不变的、当桌面形变小于百分之一毫米、就要增大r否则就不能看到桌面形变.

注6：高级中学课本(试用)物理(甲种本)第一册人民教育出版社出版，1983年11月第1版，黑龙江人民出版社重印，1985年4月第2次印刷，图1在14页.

注7：光的反射定律中二倍角增减量的变化规律：是光的入射角增大或减小一个角度单位则入射角和反射角之和就增大或减少两个角度单位的变化规律。

注8：函数θn＝2ⁿ⁺¹-2为通项公式，是测量桌面极小形变前已知的放大参数、函数θn＝2ⁿ⁺¹-2中的、θn、2、2ⁿ⁺¹、分别表示第n面平面镜反射光线偏转角相对桌面极小形变θ角的倍数、2是每一平面镜一次反射光束中的2倍角的增减量、2ⁿ⁺¹表示第n+1面平面镜反射光线偏转角的2倍角增减量遵循指数函数θ(n)＝2ⁿ的规律变化的量。