十字形金属丝弹性模量测量装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种物理实验仪器和实验方法，具体地指一种十字形金属丝弹性模量 测量装置与方法。
【背景技术】
[0002] 弹性模量反映了材料抵抗外界作用力引起的变形能力，是材料的基本力学性能之 一。测量金属丝弹性模量是大学物理实验教学的重要内容，在测量金属丝弹性模量的实验 中关键的问题是得到竖向荷载作用下金属丝的伸长量，但是这个伸长量通常是一个微小的 长度，常规的测量方法无法满足实验要求。
[0003] 现有的大学物理实验中广泛采用的是光杠杆法测金属丝弹性模量，光杠杆方法采 用光杠杆反射镜随金属丝伸长而发生倾斜，根据反射光线位置变化推导出光杠杆反射镜的 倾斜角度，进而得到金属丝的伸长量。但该法由光杠杆反射镜、望远镜及标尺所组成的光学 系统难于调节，调节好后又易受到干扰，稳定性差，影响实验精度，且实验操作复杂、测量费 时。因此，采用光杠杆法测量杨氏弹性模量要求操作者操作精准熟练，测量结果的精度受人 为因素的影响比较大。在实践教学中受学生熟练程度的限制，很难得到理想的实验结果。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是要解决上述【背景技术】的不足，提供一种原理直观明确、稳定性 好、受干扰小的十字形金属丝弹性模量测量装置与方法。
[0005] 本发明的技术方案为：十字形金属丝弹性模量测量装置，它包括底座、底座水平 仪、底座脚螺旋、横杆、调平砝码、横杆滑槽、横杆水平仪、竖杆、竖杆标尺、竖杆滑槽、滑动螺 丝、激光发射器、弧形接收屏、显示器。其特征在于所述底座、横杆与竖杆均为刚性构件；底 座上设置有底座水平仪与若干底座脚螺旋；竖杆底端垂直连接于底座，竖杆中部铰接于横 杆中心点0,与横杆形成十字形结构；铰接点0以上的竖杆右侧沿长度方向设置有竖杆滑槽 和竖杆标尺，滑动螺丝连接于竖杆滑槽内并可沿竖杆滑槽上下滑动；铰接点〇右侧部分的 横杆下表面设置有横杆滑槽，调平砝码连接于横杆滑槽并可沿横杆滑槽水平向滑动；横杆 左端设置有激光发射器；激光发射器远处设置有弧形接收屏，接收屏外部连接有显示器。
[0006] 本发明所述底座脚螺旋连接于底座底部，通过底座脚螺旋可以调整底座的水平 度； 本发明所述横杆总长为已知长度2 ? ,以中心点0分为左右等长的两部分，且横杆右端 设置有斜坡面，确保横杆旋转时不与金属丝发生接触； 本发明所述弧形接收屏布置于竖杆横杆所组成的十字形结构的左上部，为以横杆竖杆 铰接点〇为原点的四分之一圆弧，弧形接收屏与横杆、竖杆在同一平面内，且弧形接收屏起 点〇与铰接点〇在同一水平线上； 所述弧形接收屏可以接收激光发射器发射的激光信号，弧形接收屏半径r远大于二分 之一横杆长度a; 所述显示器连接与弧形接收屏，可以显示弧形接收屏0点与激光发射器发射的激光信 号所触发位置间的圆弧长度； 所述金属丝在试验过程中处于弹性变形范围内，横梁不发生大于5°的转动。
[0007] 本发明实验时，将金属丝一端固定在滑动螺丝上，另一端固定于横杆右侧端点。沿 竖杆滑槽移动滑动螺丝，使横杆右端略向上倾斜，然后沿着横杆滑槽拨动调平砝码，使横杆水 平仪气泡居中，实现横杆水平。读取此时竖杆标尺读数为b，横杆右端至铰接点长度为《。
[0008] 本发明所述一种实验方法包括以下步骤： 1) 将调平砝码移动至靠近铰接点〇处，调整底座脚螺旋，使底座水准仪气泡居中，实现 实验装置整体水平，打开激光发射器电源，接通显示器和接收屏电源； 2) 截取一段长度约为^，截面面积为A的的弹性模量待测的金属丝，使金属丝一端 固定在横杆右侧端点，另一端连接于滑动螺丝； 3) 沿竖杆滑槽向上拨动滑动螺丝，使金属丝张紧，以肉眼观察使横杆右端略向上倾斜， 拧紧滑动螺丝，使其固定在竖杆滑槽某处，读出此处竖杆标尺读数为b，即为金属丝上端固 定点至横杆竖杆铰接点〇的距离； 4) 沿横杆滑槽向右侧水平移动调平砝码，观察横杆水平仪气泡居中，实现横杆精确水 平； 5) 在横杆右端悬挂重力为G的砝码，拉伸金属丝使横杆绕铰接点0旋转，设横杆旋转角 度为0 ; 6) 通过弧形接收屏接收激光信号，并通过显示器显示激光信号在弧形接收屏的触发位 置，得到激光信号触发位置与弧形接收屏0点间的弧长L; 7) 按下式计算金属丝的伸长量：
【主权项】
1. 一种十字形金属丝弹性模量测量装置，它包括底座、底座水平仪、底座脚螺旋、横杆、 调平砝码、横杆滑槽、横杆水平仪、竖杆、竖杆标尺、竖杆滑槽、滑动螺丝、激光发射器、弧形 接收屏、显示器，其特征在于所述底座、横杆与竖杆均为刚性构件；底座上设置有底座水平 仪与若干底座脚螺旋；竖杆底端垂直连接于底座，竖杆中部铰接于横杆中心点0,与横杆形 成十字形结构；铰接点以上的竖杆右侧沿长度方向设置有竖杆滑槽和竖杆标尺，滑动螺丝 连接于竖杆滑槽内并可沿竖杆滑槽上下滑动；铰接点右侧部分的横杆下底面设置有横杆滑 槽，调平砝码连接于横杆滑槽并可沿横杆滑槽水平向滑动；横杆左端设置有激光发射器； 激光发射器远处设置有弧形接收屏，弧形接收屏外部连接有显示器。
2. 根据权利要求1所述的一种利用标准丝测量金属丝弹性模量的装置， 其特征在于所述竖杆中间某处与横杆中心点0铰接；横杆总长为已知长度2 ?，且横杆右端设置有斜坡面，确保实验中横杆旋转时不与金属丝发生接触。
3. 根据权利要求1所述的一种利用标准丝测量金属丝弹性模量的装置，其特征在于所 述弧形接收屏布置于竖杆横杆组成的十字形结构的左上部，为以横杆中心点〇为原点的四 分之一圆弧，弧形接收屏与横杆、竖杆在同一平面内，且弧形接收屏起点0与横杆中心点0 在同一水平线上；所述弧形接收屏可以接收激光发射器发射的激光信号，弧形接收屏半径 r远大于横杆的二分之一长度《。
4. 根据权利要求1所述的一种利用标准丝测量金属丝弹性模量的装置，其特征在于所 述显示器连接与弧形接收屏，可以显示弧形接收屏0点与激光发射器发射的激光信号所触 发位置间的圆弧长度。
5. 根据权利要求1所述的一种利用标准丝测量金属丝弹性模量的装置，其实验方法包 含以下步骤： 将调平砝码移动至靠近铰接点0处，调整底座脚螺旋，使底座水准仪气泡居中，实现实 验装置整体水平，打开激光发射器电源，接通显示器和弧形接收屏电源； 截取一段长度约为A，截面面积为A的弹性模量待测的金属丝，使金属丝一端固定 在横杆右侧端点，另一端连接于滑动螺丝； 沿竖杆滑槽向上拨动滑动螺丝，使金属丝张紧，以肉眼观察使横杆右端略向上倾斜，拧 紧滑动螺丝，使其固定在竖杆滑槽某处，读出此处竖杆标尺读数为b，即金属丝上端固定点 至横杆中心点0的距离； 沿横杆滑槽向右侧水平移动调平砝码，观察横杆水平仪气泡居中，实现横杆精确水 平； 在横杆右端悬挂重力为G的砝码，拉伸金属丝使横杆绕铰接点0旋转； 通过显示器显示激光信号在弧形接收屏的触发位置，得到激光信号触发位置与弧形接 收屏〇点间的弧长L，已知弧形接收屏半径为r ; 根据步骤1)~6)的测量结果，按照下式计算金属丝的伸长量Aff :
根据下式完成金属丝弹性模量E的计算：
【专利摘要】本发明公开了一种十字形金属丝弹性模量测量装置与方法，它包括底座、底座水平仪、底座脚螺旋、横杆、调平砝码、横杆滑槽、横杆水平仪、竖杆、竖杆标尺、竖杆滑槽、滑动螺丝、激光发射器、弧形接收屏、显示器。本发明利用十字形铰接布置的横杆和竖杆，将金属丝伸长转化为横杆倾斜，并通过激光发射器、弧形接收屏和显示器将横杆微小的倾斜角度转化为可观测的弧长，通过建立弧长、倾斜角度与金属丝伸长量间的关系求得金属丝弹性模量。本发明测量原理明确，可以清楚地演示金属丝的拉伸过程，避免了复杂的光学系统调试，利用调平砝码精确调平金属丝长度测量误差，测量精度高，稳定性好，是一种适合于物理教学和科学研究的实验装置与方法。
【IPC分类】G01N3-14
【公开号】CN104819900
【申请号】CN201510251349
【发明人】刘相梅, 李奇楠, 梁法库, 李 瑞
【申请人】齐齐哈尔大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年5月18日