采用雙激光束法測量金屬絲楊氏模量＊

胡依靜，張 晗，肖欣怡，姜一鑫，孫 哲，楊旭昕

（1.杭州師范大學(xué)物理學(xué)院，浙江 杭州311121；2.杭州師范大學(xué)經(jīng)亨頤教育學(xué)院，浙江 杭州311121）

楊氏模量是描述固體材料在彈性限度內(nèi)抵抗形變能力的物理量，是研究材料力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)[1]。利用靜態(tài)拉伸法測定金屬絲楊氏模量是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，楊氏模量儀的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是近年來實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[2-9]。傳統(tǒng)的楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀器主要包括彈性模量測定儀、光杠桿、尺讀望遠(yuǎn)鏡等[10]。該實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是反射光路的調(diào)節(jié)，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，操作方法是通過肉眼觀察光杠桿的平面鏡與尺讀望遠(yuǎn)鏡是否處于同一水平高度、平面鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡鏡筒是否垂直。這種調(diào)節(jié)方式操作非常復(fù)雜，且需要進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，存在一定難度。此外，在測量金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)中，通常利用米尺測量金屬絲的原長和平面鏡鏡面到標(biāo)尺距離，由于金屬絲兩端設(shè)有螺絲夾，給精確測量金屬絲原長帶來一定困難。在測量平面鏡鏡面到標(biāo)尺距離測量時(shí)，由于它們相距較遠(yuǎn)，測量時(shí)通常需要2 個(gè)人共同完成，光杠桿易掉落且測量結(jié)果存在一定誤差。金屬絲原長和鏡面到標(biāo)尺距離的精確測量是利用光杠桿法測量金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)裝置當(dāng)前面臨的主要問題和研究熱點(diǎn)。楊宏等[11]在楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀的望遠(yuǎn)鏡鏡筒側(cè)方加裝1支激光器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光路的快速調(diào)節(jié)。安郁寬[12]通過在光桿桿鏡面的中心加裝1 支激光器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光路快速的調(diào)節(jié)。仲明禮等[13]提出在楊氏模量測定儀平臺(tái)上加裝螺旋測微器與反射鏡等裝置取代光杠桿，在尺讀望遠(yuǎn)鏡支架上安裝激光器等裝置取代望遠(yuǎn)鏡，從而實(shí)現(xiàn)直觀測量金屬絲微小長度變化的目的，但該改進(jìn)方法復(fù)雜，對(duì)加工精度要求較高。

利用上述方法雖然可快速調(diào)節(jié)光杠桿光路，但都不能快速、精確測量金屬絲原長等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。為了解決利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置在測量金屬絲楊氏模量中遇到的困難，本文在原有實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上加裝雙激光束、萬能量角器等，用以快速調(diào)節(jié)光路和精確測量金屬絲原長和鏡面到標(biāo)尺的距離。該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)申請(qǐng)了新型實(shí)用專利和發(fā)明專利[14-15]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了快速調(diào)節(jié)光路和精確測量金屬絲原長和鏡面到標(biāo)尺的距離，本設(shè)計(jì)在原有實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上加裝了激光器、刻度尺、萬能量角器等輔助設(shè)施。改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)儀器的光學(xué)照片如圖1 所示。

圖1 儀器改裝前后實(shí)物圖

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在尺讀望遠(yuǎn)鏡鏡頭蓋的中心位置加裝1 個(gè)可拆卸式的激光器Ⅰ，其發(fā)射的激光束與尺讀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸共軸；在尺讀望遠(yuǎn)鏡上豎直設(shè)置調(diào)整刻度尺，其延伸的零刻度位于調(diào)整尺讀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸位置，在調(diào)整刻度尺上加裝萬能量角器，該萬能量角器可沿調(diào)整刻度尺豎直方向移動(dòng)，并通過螺釘鎖緊；在萬能量角器零刻度位置加裝激光器Ⅱ，其發(fā)射的激光束的反向延長線通過萬能量角器的圓心。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 反射光路調(diào)節(jié)

光路調(diào)節(jié)過程如圖3 所示。調(diào)節(jié)光路時(shí)，首先調(diào)節(jié)尺讀望遠(yuǎn)鏡的水平高度，使激光器Ⅰ發(fā)出的光束照射在光杠桿鏡面上，當(dāng)該激光束的反射光線照射標(biāo)尺表面時(shí)取下激光器Ⅰ，調(diào)節(jié)尺讀望遠(yuǎn)鏡的焦距，即可在望遠(yuǎn)鏡中觀測到標(biāo)尺的像，此時(shí)光路調(diào)節(jié)完畢。

圖3 光路調(diào)節(jié)過程示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量

2.2.1 光杠桿鏡面到標(biāo)尺的距離

光杠桿鏡面至標(biāo)尺距離測量如圖4 所示。測量光杠桿鏡面到望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺的距離d時(shí)，只需在調(diào)節(jié)反射光路結(jié)束的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)萬能量角器角度，使激光束Ⅰ與激光束Ⅱ匯聚于平面鏡上并記錄萬能量角器角度θ1和調(diào)整刻度尺的刻度H。根據(jù)公式d=H×tanθ1即可獲得光杠桿鏡面到標(biāo)尺的距離。

圖4 光杠桿鏡面至標(biāo)尺距離測量示意圖

2.2.2 金屬絲原長

金屬絲至標(biāo)尺距離測量如圖5 所示。在測量金屬絲原長L時(shí)，首先使激光束Ⅰ與激光束Ⅱ匯聚于金屬絲末端，根據(jù)公式D=H×tanθ2可計(jì)算出金屬絲至望遠(yuǎn)鏡標(biāo)尺的距離D，其次調(diào)節(jié)激光器Ⅱ，使激光束Ⅱ指向金屬絲初端。金屬絲原長測量如圖6 所示。根據(jù)公式L=H+D×tanθ3即可計(jì)算出金屬絲原長L。

圖5 金屬絲至標(biāo)尺距離測量示意圖

圖6 金屬絲原長測量示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量結(jié)果對(duì)比如表1 所示。L的真值為80.92 cm，d的真值為176.55 cm。改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)過程用時(shí)對(duì)比如表2 所示。從表1 中可以看出，利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置在測量實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)過程中，其測量值更接近真值，金屬絲原長L和光杠桿鏡面至標(biāo)尺的距離d的相對(duì)不確定度（E）分別減少0.05% 和0.01%。從表2 中可以看出，t1、t2分別為傳統(tǒng)方法調(diào)整光路和實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量用時(shí)，T1、T2分別為改進(jìn)后的方法調(diào)整光路和實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量用時(shí)，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置的光路調(diào)節(jié)過程平均節(jié)省約7 min，實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量的過程平均節(jié)省約4 min，總用時(shí)平均節(jié)省了約11 min。

表1 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量結(jié)果對(duì)比

表2 改進(jìn)前后實(shí)驗(yàn)過程用時(shí)對(duì)比

4 結(jié)論

采用加裝雙激光器和萬能量角器等輔助設(shè)施對(duì)傳統(tǒng)靜態(tài)拉伸法楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種利用雙激光束測量金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)裝置，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置具有操作簡便、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富和實(shí)驗(yàn)用時(shí)短的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了光杠桿光路調(diào)節(jié)的可視化、實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量精確化和科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能規(guī)范化。此外，改裝后的實(shí)驗(yàn)裝置也可應(yīng)用于基于尺讀望遠(yuǎn)鏡及光杠桿的測定裝置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中。