專利名稱：一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，綜合了劈尖干涉法測(cè)金屬絲直徑、鈉黃光雙線的干涉條紋、熱電偶溫差效應(yīng)、金屬絲的楊氏模量與泊松比等力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)領(lǐng)域多個(gè)物理量的測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)裝置功能較單一，操作比較簡(jiǎn)單，對(duì)操作者的動(dòng)手能力與科學(xué)素質(zhì)的要求不高。比如測(cè)金屬絲直徑常用游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器或干涉法等；測(cè)溫度的有水銀溫度計(jì)、熱敏電阻、熱電偶等；研究鈉黃光雙線的有單色儀等裝置；測(cè)楊氏模量常用拉伸法(結(jié)合光杠桿放大位移)、彎梁法、共振吸收法等；對(duì)于泊松比的測(cè)量，科研工作中常用的有引申計(jì)法等直接測(cè)量方法，也有表面聲波法、干涉法、應(yīng)變片電測(cè)法等間接測(cè)量法，而專門測(cè)泊松比的教學(xué)裝置很少見(jiàn)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型技術(shù)解決問(wèn)題:克服現(xiàn)有技術(shù)功能單一、對(duì)操作者的科研素養(yǎng)與動(dòng)手能力訓(xùn)練不夠的問(wèn)題，提供一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于相關(guān)物理量比如泊松比的科學(xué)研究。本實(shí)用新型技術(shù)解決方案:一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，包括:金屬絲101、架設(shè) 金屬絲的支架102、增砣砝碼及砝碼托盤(pán)103、讀數(shù)顯微鏡104、兩片玻璃劈尖105、低壓鈉燈106、干電池107、第一交直流電阻箱108、第二交直流電阻箱109、數(shù)字萬(wàn)用表110、微伏表111、導(dǎo)線112和卷尺113 ；兩片玻璃劈尖105的一端夾住金屬絲101后置于讀數(shù)顯微鏡104的載物臺(tái)上，與低壓鈉燈106 —起構(gòu)成一套劈尖干涉法測(cè)金屬絲101直徑的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)；架設(shè)金屬絲的支架102上安裝開(kāi)關(guān)盒1021、分壓器盒1022、滑輪1023、高度調(diào)節(jié)螺栓1024及懸掛金屬絲的螺栓1025 ;金屬絲101的一端固定在螺栓1025上，另一端懸掛砝碼 103 ；利用導(dǎo)線112將干電池107、開(kāi)關(guān)盒1021、分壓器盒1022連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)分壓電路的主回路；分壓支路由一個(gè)非平衡電橋電路構(gòu)成，三個(gè)橋臂Rp R2> R3, R1^ R2> R3取相同阻值，均采用精度0.2級(jí)、最小檔位為0.1 Ω的第一交直流電阻箱108 ；R4與金屬絲101構(gòu)成第四臂，其中R4采用精度0.1級(jí)、最小檔位為0.01 Ω的第二交直流電阻箱109 ;整個(gè)支路的分壓由數(shù)字萬(wàn)用表110給出，橋電壓Ug由微伏表111測(cè)量。所述架設(shè)金屬絲的支架102加工成弓形結(jié)構(gòu)，其上安裝了開(kāi)關(guān)2021、分壓器盒2022、滑輪2023、高度調(diào)節(jié)螺栓2024及懸掛金屬絲的螺栓2025 ;其中分壓器盒中安裝I個(gè)電位器和3個(gè)接線柱，電位器的總電阻取I 2kQ ;金屬絲的一端固定在螺栓2025上，另一端跨過(guò)滑輪2023后再懸掛砝碼203。[0009]所述金屬絲101是電阻對(duì)拉力敏感的合金絲，包括康銅絲或鎳鉻絲。本實(shí)用新型的工作過(guò)程為:1.按圖1連接電路，非平衡電橋調(diào)至平衡狀態(tài)。調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)螺栓1024，使金屬絲101水平。2.用卷尺113測(cè)量金屬絲101的長(zhǎng)度L。3.用干涉法測(cè)量金屬絲101直徑。原理圖見(jiàn)圖3，采用鈉燈106作光源，用2片玻璃劈尖105夾住金屬絲101并置于讀數(shù)顯微鏡104的載物臺(tái)上，構(gòu)成劈尖干涉法測(cè)金屬絲101直徑的光學(xué)系統(tǒng)。4.研究鈉黃光雙線對(duì)干涉條紋的消光現(xiàn)象。移動(dòng)讀數(shù)顯微鏡104的目鏡可以看到有些區(qū)域的干涉條紋完全消失，該現(xiàn)象可用鈉黃光雙線進(jìn)行解釋。5.觀測(cè)熱電偶的溫差電效應(yīng)。用手或其它熱源靠近金屬絲101任一端的焊點(diǎn)時(shí)，微伏表111讀數(shù)會(huì)有明顯的變化，這說(shuō)明金屬絲101對(duì)環(huán)境溫度的變化十分靈敏，可當(dāng)成溫度計(jì)。6.依次增減砝碼103，用讀數(shù)顯微鏡104測(cè)量金屬絲101的伸長(zhǎng)量可求出其楊氏模量。7.改變砝碼103質(zhì)量，用非平衡電橋、讀數(shù)顯微鏡104測(cè)量金屬絲101的泊松比。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技 術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)與現(xiàn)有的比較單一的實(shí)驗(yàn)技術(shù)相比，本實(shí)用新型創(chuàng)造性綜合了力、電、光等多種學(xué)科領(lǐng)域的成熟實(shí)驗(yàn)技術(shù)，采用加砝碼拉伸法測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比等力學(xué)量，這是力學(xué)部分；采用非平衡電橋測(cè)量金屬絲電阻的變化，觀察溫差電效應(yīng)，這是電學(xué)部分；用劈尖干涉法測(cè)金屬絲直徑，研究消光現(xiàn)象，這是光學(xué)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但內(nèi)容很豐富，且各部分之間有嚴(yán)密的邏輯關(guān)系。(2)為了保證實(shí)驗(yàn)成功，實(shí)驗(yàn)中對(duì)與金屬絲接觸的部件采用了隔熱措施，比如采用塑料部件，或者包裹隔熱薄膜材料；在讀數(shù)顯微鏡載物臺(tái)與玻璃劈尖之間采用了防牛頓環(huán)干擾的措施，比如對(duì)劈尖下表面磨砂處理，或者在載物臺(tái)上墊一張薄紙片；測(cè)金屬絲泊松比時(shí)，操作者要遠(yuǎn)離金屬絲，避免溫差電效應(yīng)的干擾。這些簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)驗(yàn)技巧，既能訓(xùn)練操作者的動(dòng)手能力，又能訓(xùn)練其分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

圖1為本實(shí)用新型各部件的組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型中金屬絲支架的俯視圖(上)和前視圖(下)；圖3為本實(shí)用新型中劈尖干涉法測(cè)金屬絲直徑的原理圖；圖4為砝碼質(zhì)量m與金屬絲伸長(zhǎng)量Λ L的關(guān)系曲線；圖5為橋電壓Ug與金屬絲伸長(zhǎng)量AL的關(guān)系曲線；圖6為本實(shí)用新型綜合物理實(shí)驗(yàn)儀的操作流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括:金屬絲101、架設(shè)金屬絲的支架102、增砣砝碼及砝碼托盤(pán)103、讀數(shù)顯微鏡104、玻璃劈尖105、低壓鈉燈及電源106、干電池107、第一交直流電阻箱108、第二交直流電阻箱R4109、數(shù)字萬(wàn)用表110、微伏表111、導(dǎo)線112和卷尺113。2片玻璃劈尖105 —端夾住金屬絲101并置于讀數(shù)顯微鏡104的平臺(tái)上，與低壓鈉燈106 —起構(gòu)成一套劈尖干涉法測(cè)金屬絲101直徑的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。本實(shí)用新型的支架用于架設(shè)金屬絲，可加工成各種方便的形狀。圖2中用的是弓形支架俯視圖與前視圖，其上安裝了開(kāi)關(guān)2021、分壓器盒2022、滑輪2023、高度調(diào)節(jié)螺栓2024及懸掛金屬絲的螺栓2025 ;其中開(kāi)關(guān)盒1021中有一個(gè)開(kāi)關(guān)；分壓器盒2022中安裝I個(gè)電位器和3個(gè)接線柱，兩端的接線柱接電位器的全電阻，中間接線柱接滑動(dòng)頭，電位器的總電阻不宜過(guò)大，取I 2kQ即可。金屬絲的一端固定在螺栓2025上，另一端跨過(guò)滑輪2023后再懸掛砝碼203。本實(shí)用新型的金屬絲是指康銅絲、鎳鉻絲等多種其電阻對(duì)拉力敏感的合金絲。金屬絲101的一端固定在螺栓1025上，另一端跨過(guò)滑輪1023懸掛砝碼103。增減砝碼103將使金屬絲101的電阻和長(zhǎng)度發(fā)生變化。為減小接觸電阻，金屬絲101接入電路的部分需與導(dǎo)線112焊接在一起。兩個(gè)焊點(diǎn)間的原始長(zhǎng)度常取I 1.5米，具體長(zhǎng)度值由卷尺113測(cè)出，再用讀數(shù)顯微鏡104觀測(cè)焊點(diǎn)的位置，可精確測(cè)出金屬絲101受到拉伸引起的長(zhǎng)度變化AL。如圖1所示，利用導(dǎo)線112將干電池107、開(kāi)關(guān)盒1021、分壓器盒1022連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)分壓電路的主回路，其中的干電池107也可用其它直流電源代替。分壓支路由一個(gè)非平衡電橋電路構(gòu)成，三個(gè)橋臂HR3取相同阻值，都采用精度0.2級(jí)、最小檔位為0.1 Ω的第一交直流電阻箱108。R4與金屬絲101阻值Rs之和與另三臂的阻值相近，為第四臂。為了方便電橋的平衡調(diào)節(jié)，R4采用精度0.1級(jí)、最小檔位為0.01 Ω的第二交直流電阻箱109。整個(gè)支路的分壓由數(shù)字萬(wàn)用表110給出，橋電壓Ug由微伏表111測(cè)量，微伏表111讀數(shù)反映了金屬絲101受到拉伸而引起的電阻變化或者金屬絲101兩端溫度不同而引起的電勢(shì)差。
如圖6所示，本實(shí)用新型的具體工作過(guò)程如下:1.根據(jù)圖1連接電路。調(diào)節(jié)R4，使電橋基本平衡，即微伏表111讀數(shù)約等于O μ V。托盤(pán)上放一塊砝碼103以拉直金屬絲，調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)螺栓1024，使金屬絲水平。本實(shí)用新型中微伏表111的讀數(shù)對(duì)溫度非常敏感，這不利于電橋的平衡調(diào)節(jié)及金屬絲101泊松比的精確測(cè)量，因此螺栓1025、滑輪1023外沿及砝碼103的掛鉤都需要進(jìn)行隔熱處理，比如采用塑料部件，或者包裹不導(dǎo)熱的薄膜材料。2.用卷尺113測(cè)量金屬絲上兩焊點(diǎn)間的長(zhǎng)度L。3.用劈尖干涉法測(cè)量金屬絲101直徑d。原理圖見(jiàn)圖3，采用鈉燈106作光源，用2片玻璃劈尖105 —端夾住金屬絲并置于讀數(shù)顯微鏡104的載物臺(tái)上，構(gòu)成劈尖干涉法測(cè)金屬絲101直徑的光學(xué)系統(tǒng)。將讀數(shù)顯微鏡104目鏡移至2片玻璃劈尖105交線附近，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡104目鏡的高度，直至看到明暗相間且與金屬絲平行的干涉條紋。先用讀數(shù)顯微鏡104測(cè)量劈尖長(zhǎng)度1，再測(cè)n>30條的
A
條紋對(duì)應(yīng)的顯微鏡104移動(dòng)距離ln，由劈尖干涉公式d = 即可求出金屬絲的直徑d。
公式中的λ =0.5893 μ m為鈉黃光的波長(zhǎng)，測(cè)30條以上的條紋可保證金屬絲直徑的測(cè)量誤
差小于1%。4.研究鈉黃光雙線對(duì)干涉條紋的消光現(xiàn)象。[0040]左右移動(dòng)讀數(shù)顯微鏡104的目鏡，在有些區(qū)域可以看到干涉條紋完全消失，這一現(xiàn)象可用鈉黃光的雙線波長(zhǎng)進(jìn)行解釋。如果讀數(shù)顯微鏡104的載物臺(tái)是玻璃，該玻璃平臺(tái)與其上的玻璃劈尖105的下表面同樣會(huì)產(chǎn)生等厚干涉，導(dǎo)致在讀數(shù)顯微鏡104視野中經(jīng)常能看到牛頓環(huán)狀的干涉條紋。為了消除這種干擾，可將玻璃劈尖105的下表面進(jìn)行磨砂處理，或者在顯微鏡104載物臺(tái)上鋪一張薄紙片即可。5.觀測(cè)熱電偶的溫差電效應(yīng)。用手或其它熱源靠近金屬絲101任一端焊點(diǎn)時(shí)，微伏表111讀數(shù)有明顯的變化，這說(shuō)明橋電壓Ug對(duì)環(huán)境溫度的變化十分敏感。6.拉伸法測(cè)量金屬絲101的楊氏模量E。根據(jù)楊氏模量的定義式:
權(quán)利要求1.一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于包括:金屬絲(101 )、架設(shè)金屬絲的支架(102)、增砣砝碼及砝碼托盤(pán)(103)、讀數(shù)顯微鏡(104)、兩片玻璃劈尖(105)、低壓鈉燈(106)、干電池(107)、第一交直流電阻箱(108)、第二交直流電阻箱(109)、數(shù)字萬(wàn)用表(110)、微伏表(111)、導(dǎo)線(112)和卷尺(113)； 兩片玻璃劈尖(105)的一端夾住金屬絲(101)后置于讀數(shù)顯微鏡(104)的載物臺(tái)上，與低壓鈉燈(106) —起構(gòu)成一套劈尖干涉法測(cè)金屬絲(101)直徑的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)； 架設(shè)金屬絲的支架(102)上安裝開(kāi)關(guān)盒(1021)、分壓器盒(1022)、滑輪(1023)、高度調(diào)節(jié)螺栓(1024)及懸掛金屬絲的螺栓(1025);金屬絲(101)的一端固定在螺栓(1025)上，另一端懸掛破碼(103)； 利用導(dǎo)線(112)將干電池(107)、開(kāi)關(guān)盒(1021 )、分壓器盒(1022)連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)分壓電路的主回路；分壓支路由一個(gè)非平衡電橋電路構(gòu)成，三個(gè)橋臂R1、R2、R3, R1、R2、R3取相同阻值，均采用精度0.2級(jí)、最小檔位為0.1 Ω的第一交直流電阻箱(108);R4與金屬絲(101)構(gòu)成第四臂，其中R4采用精度0.1級(jí)、最小檔位為0.01 Ω的第二交直流電阻箱(109);整個(gè)支路的分壓由數(shù)字萬(wàn)用表(110)給出，橋電壓Ug由微伏表(111)測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述架設(shè)金屬絲的支架(102)加工成弓形結(jié)構(gòu)，其上安裝了開(kāi)關(guān)(2021)、分壓器盒(2022)、滑輪(2023)、高度調(diào)節(jié)螺栓(2024)及懸掛金屬絲的螺栓(2025);其中分壓器盒中安裝I個(gè)電位器和3個(gè)接線柱，電位器的總電阻取I 2kQ ;金屬絲的一端固定在螺栓(2025 )上，另一端跨過(guò)滑輪(2023 )后再懸掛砝碼(203 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于:所述金屬絲(101)是電阻對(duì)拉力敏感的合金絲，包括康銅絲或鎳鉻絲。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量金屬絲的楊氏模量和泊松比綜合物理實(shí)驗(yàn)儀，包括金屬絲(101)、架設(shè)金屬絲的支架(102)、增砣砝碼及砝碼托盤(pán)(103)、讀數(shù)顯微鏡(104)、玻璃劈尖(105)、低壓鈉燈及電源(106)、干電池(107)、第一交直流電阻箱(108)、第二交直流電阻箱R4(109)、數(shù)字萬(wàn)用表(110)、微伏表(111)、導(dǎo)線(112)和卷尺(113)；本實(shí)用新型測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用于相關(guān)物理量比如泊松比的科學(xué)研究。
文檔編號(hào)G09B23/06GK203148786SQ201320102149
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者張憲鋒, 祝巍, 張?jiān)雒? 孫臘珍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)