一种杨氏模量测定仪及测定方法与流程

本发明属于实验器材技术领域，具体涉及一种杨氏模量测定仪，以及利用该测定仪测定金属丝杨氏模量的方法。

背景技术：

利用光杠杆测量金属丝杨氏模量系数的实验是大学物理实验中的经典实验之一，传统的利用光杠杆测量杨氏模量测定仪中的尺读望远镜没有激光器和刻度，反射射光路的调节和实验参数的测定均存在不足。该实验关键环节之一是反射光路的调节，利用现有技术，其操作方法是通过肉眼观察光杠杆的平面镜与尺读望远镜是否处于同一水平高度，平面镜镜面与望远镜镜筒是否垂直。这种调节方式操作非常复杂，且需要进行反复调整，存在一定难度。此外，在测量金属丝杨氏模量实验中，测量金属丝的原长和平面镜镜面到标尺距离都是通过卷尺等测量工具测量，由于金属丝两端设有螺丝夹，给精确测量带来一定困难；在测量平面镜镜面到标尺距离测量时，由于两者相距较远，测量通常需要两个人共同完成，且测量结果存在一定误差。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对现有杨氏模量测定实验中的存在的不足，提供一种杨氏模量测定仪。

本发明的杨氏模量测定仪包括光杠杆装置和调整测定装置。

所述的光杠杆装置包括光杠杆、光杠杆平台、光杠杆活动块、光杠杆架。

所述的光杠杆架包括光杠杆架底座和双滑杆支杆，双滑杆支杆竖直固定设置在光杠杆架底座上；双滑杆支杆穿过光杠杆平台设置，光杠杆平台可沿双滑杆支杆上下移动，并通过螺钉锁紧；光杠杆活动块设置在光杠杆平台内，可沿竖直方向滑动，光杠杆设置在光杠杆平台上。

所述的光杠杆包括平面镜、平面镜安装座和三个支脚，平面镜设置在平面镜安装座上，平面镜安装座下方设置有三个支脚，三个支脚呈等腰三角形分布，三个支脚的脚尖构成的平面与平面镜的镜面垂直，等腰三角形分布的三个支脚脚尖中的处于底角的两个支脚脚尖连线与平面镜的镜面平行。

所述的光杠杆活动块顶面与光杠杆平台基本一致，三个支脚的脚尖位于同一水平平面，其中处于顶角的支脚脚尖位于光杠杆活动块顶面中心，初始状态下，平面镜处于竖直状态。

所述的调整测定装置包括支架、尺读望远镜、测定标尺、调整激光器、调整标尺、测定激光器、量角板、量角指针。

所述的支架包括支架底座和支杆，支架底座水平设置，支杆竖直设置，一端与支架底座固定连接。

竖直移动定位块设置在支杆上，可沿支杆竖直方向移动，并通过螺钉锁紧。尺读望远镜水平固定在竖直移动定位块上，测定标尺竖直固定在竖直移动定位块上；水平仪设置在尺读望远镜上，并与望远镜视准轴平行，用于调整尺读望远镜视准轴的水平位置；调整激光器固定设置在尺读望远镜的镜头盖的中心位置，其激光光路与调整尺读望远镜视准轴一致。

所述的尺读望远镜上设置有调整标尺，调整标尺竖直设置，其延伸的0刻度位于调整尺读望远镜视准轴位置；调整标尺上设置有游标，游标可沿调整标尺竖直方向移动，并通过螺钉锁紧。

所述的游标上设置有测定激光器、半圆形的量角板、量角指针、止动旋钮。测定激光器和量角指针位于同一直线上，测定激光器光路方向与量角指针的指向相反；测定激光器的尾部与量角指针的尾部相接，并与量角板的圆心处于同一水平面上，该处设置有止动旋钮；当测定激光器以尾部为圆心转动时，量角指针以尾部为圆心同步转动，旋转角度通过止动旋钮控制。

本发明的另一个目的是提供一种金属丝杨氏模量测定方法。

利用该杨氏模量测定仪进行金属丝杨氏模量测定的方法，具体步骤如下：

(1).调整光杠杆装置：将待测钢丝的一端用夹头夹紧，另一端固定光杠杆活动块上，调整夹头和光杠杆平台位置，使钢丝拉直，并且光杠杆活动块顶面与光杠杆平台基本一致，三个支脚的脚尖位于同一水平平面上，其中处于顶角的支脚脚尖位于光杠杆活动块顶面中心，平面镜处于竖直状态；

(2).调节测定光路：开启调整激光器，通过水平仪调整尺读望远镜视准轴的水平位置，使尺读望远镜保持水平，直到调整激光器发射的激光通过平面镜反射后原路返回，调节尺读望远镜焦距，即可通过尺读望远镜观察到测定标尺的像；

(3).测量平面镜镜面到测定标尺的距离d：开启测定激光器，旋转测定激光器的角度，使其发射的激光束与调整激光器发射激光束汇聚于平面镜平面上；测定激光器转动时，量角指针同步转动，通过量角板读出转动角度α，通过调整标尺读出测定激光器尾部距离尺读望远镜视准轴的高度h，根据三角函数得到平面镜的镜面到测定标尺的距离d，d＝h/tanα；

(4).测量受力下金属丝拉伸长度δl：取下连同调整激光器的镜头盖，光杠杆活动块下方逐次加一个砝码，在尺读望远镜中读计对应标尺的位置；然后将所加砝码逐次去掉，读取并记录相应读数，即被测金属丝被拉伸的长度δl；

(5).测量金属丝原长l：移开光杠杆，旋转测定激光器的角度至水平状态，使其发射的激光束与量角板零刻度线对齐；将竖直移动定位块下移，调整测定激光器水平高度，使金属丝与光杠杆活动块相接处和激光束处于同一水平高度后；再次旋转测定激光器的角度，使激光束指向金属丝与夹头相接处，读取量角板上激光束所在位置的角度β；根据三角函数关系求出金属丝原长l,即：l＝(d+b)tanβ，其中b为光杠杆常数，即三个支脚脚尖构成等腰三角形的高；

(6).计算被测金属丝的杨氏模量e：其中f为所加砝码的力，s为金属丝的横截面积，通过游标卡尺测出金属丝横截面直径d，

本发明的杨氏模量测定仪既可快速调节光路，又可简单精确测量金属丝原长和镜面到标尺距离，简化测量操作，节省测量时间，提高测量精度。本发明方法操作简单，测量精度高，节省了测量时间。

附图说明

图1为本发明中光杠杆装置的正面结构示意图；

图2为本发明中光杠杆装置的侧面结构示意图；

图3为本发明中光杠杆的结构示意图；

图4为本发明中调整测定装置的正面结构示意图；

图5为本发明中调整测定装置的侧面结构示意图；

图6为本发明一种测距方法示意图；

图7为本发明另一种测距方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

一种杨氏模量测定仪，包括光杠杆装置和调整测定装置。

如图1和2，光杠杆装置包括光杠杆1、光杠杆平台2、光杠杆活动块3、光杠杆架4。

光杠杆架4包括光杠杆架底座4-1和双滑杆支杆4-2，双滑杆支杆4-2竖直固定设置在光杠杆架底座4-1上。双滑杆支杆4-2穿过光杠杆平台2设置，光杠杆平台2可沿双滑杆支杆4-2上下移动，并通过螺钉锁紧。光杠杆活动块3设置在光杠杆平台2内，可沿竖直方向滑动，光杠杆1设置在光杠杆平台2上。

如图3，光杠杆1包括平面镜1-1、平面镜安装座1-2和三个支脚1-3，平面镜1-1设置在平面镜安装座1-2上，平面镜安装座1-2下方设置有三个支脚1-3(a、b、c)，三个支脚1-3呈等腰三角形分布，三个支脚1-3的脚尖构成的平面(图中阴影所示)与平面镜1-1的镜面垂直，等腰三角形分布的三个支脚脚尖中的处于底角的两个支脚脚尖连线(bc)与平面镜1-1的镜面平行。

如图1和2，夹头5设置在双滑杆支杆4-2上部，待测钢丝6的一端用夹头5夹紧，另一端固定光杠杆活动块3上，调整夹头5和光杠杆平台2位置，使钢丝拉直，并且光杠杆活动块3顶面与光杠杆平台2基本一致，三个支脚1-3的脚尖位于同一水平平面上，其中处于顶角的支脚脚尖(图中a)位于光杠杆活动块3顶面中心，平面镜1-1处于竖直状态，砝码7悬挂在光杠杆活动块3的下方。

如图4和5所示，调整测定装置包括支架8、尺读望远镜10、测定标尺11、调整激光器13、调整标尺14、测定激光器15、量角板16、量角指针17。

支架8包括支架底座8-1和支杆8-2，支架底座8-1水平设置，支杆8-2竖直设置，一端与支架底座8-1固定连接。

竖直移动定位块9设置在支杆8-2上，可沿支杆8-2竖直方向移动，并通过螺钉锁紧。尺读望远镜10水平固定在竖直移动定位块9上，测定标尺11竖直固定在竖直移动定位块9上；水平仪12设置在尺读望远镜10上，并与望远镜视准轴平行，用于调整尺读望远镜视准轴的水平位置；调整激光器13固定设置在尺读望远镜10的镜头盖10-1的中心位置，其激光光路与调整尺读望远镜视准轴一致。

尺读望远镜10上设置有调整标尺11，调整标尺11竖直设置，其延伸的0刻度位于调整尺读望远镜视准轴位置。调整标尺14上设置有游标14-1，游标14-1可沿调整标尺14竖直方向移动，并通过螺钉锁紧。

游标14-1上设置有测定激光器15、半圆形的量角板16、量角指针17、止动旋钮18。测定激光器15和量角指针17位于同一直线上，且与量角板17的0度角直线处于同一水平面上，测定激光器15光路方向与量角指针17的指向相反；测定激光器15的尾部与量角指针17的尾部相接，并与量角板16的圆心处于同一水平面上，该处设置有止动旋钮18；当测定激光器15以尾部为圆心转动时，量角指针17以尾部为圆心同步转动，旋转角度通过止动旋钮18控制。

利用该杨氏模量测定仪进行金属丝杨氏模量测定：

如图1和2，将待测钢丝6的一端用夹头5夹紧，另一端固定光杠杆活动块3上，调整夹头5和光杠杆平台2位置，使钢丝拉直，并且光杠杆活动块3顶面与光杠杆平台2基本一致，三个支脚1-3的脚尖位于同一水平平面上，其中处于顶角的支脚脚尖(图中a)位于光杠杆活动块3顶面中心，平面镜1-1处于竖直状态。

如图4和5，开启调整激光器13，通过水平仪12调整尺读望远镜视准轴的水平位置，使尺读望远镜10保持水平，直到调整激光器13发射的激光通过平面镜1-1反射后原路返回(两条光线处于同一光路)，调节尺读望远镜焦距，即可通过尺读望远镜观察到测定标尺11的像，光路调节完成。

测量平面镜1-1镜面到测定标尺11的距离d：如图6所示，光路调节完成后，开启测定激光器15，旋转测定激光器15的角度，使其发射的激光束与调整激光器13发射激光束汇聚于平面镜1-1平面上。测定激光器15转动时，量角指针17同步转动，通过量角板16读出转动角度α，通过调整标尺14读出测定激光器15尾部距离尺读望远镜10视准轴的高度h，根据三角函数得到平面镜1-1的镜面到测定标尺11的距离d，d＝h/tanα。

测量受力下金属丝拉伸长度δl：取下连同调整激光器13的镜头盖10-1，光杠杆活动块3下方逐次加一个砝码7，在尺读望远镜10中读计对应标尺的位置；然后将所加砝码逐次去掉(每次减一个)，读取并记录相应读数，即被测金属丝被拉伸的长度δl。该步骤采用现有的常规金属丝杨氏模量测定实验的流程，不再累述。

测量金属丝原长l：如图7所示，完成杨氏模量测量实验，移开光杠杆1，旋转测定激光器15的角度至水平状态，使其发射的激光束与量角板零刻度线对齐。将竖直移动定位块9下移，调整测定激光器15水平高度，使激光束与金属丝末端(金属丝与光杠杆活动块相接处)处于同一水平高度后。再次旋转测定激光器15的角度，使激光束指向金属丝的初端(金属丝与夹头相接处)，读取量角板上激光束所在位置的角度β。根据三角函数关系求出金属丝原长l,即：l＝(d+b)tanβ，其中b为光杠杆常数，即三个支脚2-3脚尖构成等腰三角形的高。

计算被测金属丝的杨氏模量e：其中f为所加砝码的力，s为金属丝的横截面积，通过游标卡尺测出金属丝横截面直径d，

由以上实施例可以看出，本发明能够快速调节光路，简化测量操作，节省测量时间。