光杠杆放大倍数测量方法的讨论
图2测量光杠杆的参数b的方法微小长度变化的测量是大学普通物理实验课程中的一项常规内容,如在静力拉伸法测量杨氏模量、固体线膨胀系数的测量等实验项目中都有运用。对于此类微小长度,如使用游标卡尺和螺旋测微器等普通长度测量仪器往往不易测量,且测量精度也达不到要求。此时,如使用光杠杆放大法测量就非常方便。其中,有两种方法可以测量光杠杆的放大倍数。运用这两种方法来测量光杠杆后脚到光杠杆转动支点所在直线之间的垂直距离b(如图1)时是相同的,而测量光杠杆镜面到标尺之间的距离D(如图1)时就不一样了:可以用卷尺直接测量,也可以使用望远镜来测量从标尺到平面反射镜的距离。本文主要讨论了这两种方法的优缺点。一般的光杠杆测量微小长度的光路如图1,光杠杆的两个前足放在固定的位置,起支点作用,而后脚则安放在被测点上,其中,后脚到支点的距离为b,标尺到支点的距离为D。当有微小的长度改变时,就会导致光杠杆后脚上升或者下降(图1为下降)△L,并使得平面镜顺时针或者...&
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光杠杆测量微小变化量是大学物理实验中非常重要的一种常用方法,在传统和现代的测量仪器都得到了广泛的应用。例如,利用光杠杆测量薄片的厚度[1],金属的线胀系数[2-3],液体的体胀系数[4],金属丝的弹性滞后环[5],压电陶瓷压电特性[6],基于光杠杆的火炮身管内径测量系统[7]等。本文改进了传统光杠杆测微位移的原理,提出了光杠杆多级放大的理念,解释了多级光杠杆的放大原理,得到了此装置的放大倍数,结果表明多级光杠杆极大提高了微小形变量的放大倍数,并且光杠杆反射镜与调节反射镜不平行而有微小偏移不会影响测量结果,入射光线与调节反射镜不垂直也不会影响多级光杠杆的放大倍数。1测量原理如图1所示,多级光杠杆由带有标尺的光杠杆反射镜、调节反射镜及激光光源组成。其中,d1为光杠杆前后脚间距离,D为光杠杆反射镜与调节反射镜间距离,光杠杆反射镜上标尺初始读数为P0,当光杠杆发生微小变化ΔL0时,标尺读数为P2,由几何关系得到ΔL0=d1tanθ0=d...&
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微小位移的测量方法有很多,有应用光的干涉、衍射以及显微镜等测量方法[1-2],最经典的便是使用由望远镜、反射镜、标尺、支架等组成的“光杠杆”系统对微小长度进行放大测量。该方法的经典之处在于将力学中的杠杆原理与光的反射定律巧妙地结合在一起,将微小的长度有效地放大。光杠杆法是高校物理实验中一种重要测量微小位移的方法。此方法应用于杨氏模量的测定及线胀系数的测定实验中,在以上类似的实验中,学生一般只注重对光杠杆及望远镜的上下位置的调节,而对望远镜镜筒的左右转动调节容易忽视,从而使实验调节过程有时无头绪,调节过程时间太长,甚至导致实验不能完成。能够让学生快速、正确的调节实验仪器是每位教师想要到达的目的。但在原有仪器情况下只靠教师的讲解很难达到而且花费很长时间[3],留给学生操作的时间会更少。如果在实验讲授中能够演示光线的传播路径,使学生更直观的观察光线的传播方向,便于学生理解实验原理、掌握仪器的调整步骤,进而加快对光杠杆及望远镜的调节速度...&
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在普通物理实验以及诸多工程、科学实验中,常常需要测定微小长度变化量,一般情况下采用方法是用镜面光杠杆和千分尺来进行测量。但由于镜面光杠杆的镜子面积小,调节麻烦,普通光束斑径较大,不便于确定准确的测量值;千分尺在测量时,需要加以固定,否则,测量点的位置变化会引起测量误差。1激光光杠杆的制作设计为使操作调试方便和提高测量精度,就需要对镜面光杠杆进行改进。如果把光源装在光杠杆上,这样光程就可以减少。因此,把半导体激光器和光杠杆结合在一起,与镜面光杠杆相比,测量精度有很大的提高。我们把这种改进后的光杠杆称为激光光线光杠杆,或激光光杠杆。图1a图1b激光光杠杆的外型如图1,它包括有激光器的丁字支架,在支架的下部安置有三个尖足,圆柱型激光器水平安置在支架上,可沿竖直方向上下移动。三个足尖可以在同一水平面上,足尖a可上下移动,激光器下部的两个足尖b、c等高。它的工作原理是:当激光器发出极细的直线光时,可调节它为水平方向,此光线为ON1,当前a...&
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1　引言在物理实验及应用技术中,利用光杠杆这种简单光学仪器测量微小位移变化量是有重要意义的。本文对光杠杆在传统物理实验中的使用和发展进行了介绍,特别对光杠杆的放大作用及结构改进,进行了进一步的研究,提出了一些与现代技术有关的新设计思想,弥补了传统实验教学中的一些不足。2　传统光杠杆的结构及使用图1　　光是人们早就接触到的物理现象,利用镜子反射光线已有很久的历史。光杠杆从其结构上看,有“三尖足”式和“刀口及后尖足”式,如图1所示。传统的光杠杆,是在Ｔ形横架上装有一个小平面镜,架下有三尖足或刀口及后尖足,后尖足和杆长连为一体,可通过镜下横架上的螺丝调节光杠杆的杆长。测量时,调节杆长和放置的位置,使光杠杆的后尖足落到被测物体上。可以调节小镜子的仰角或俯角,使镜面基本上垂直向前。这样,在被测物体发生微小位移变化,带动光杠杆后尖足一起移动时,光杠杆上的小镜子也随之改变了一个小角度,使入射光线和反射光线发生变化。图2图2所示是现在最常用的光...&
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在《杨氏弹性模量的测定》实验中，采用光杠杆测量微小的伸长量?光杠杆是一种利用光放大原理测量被测物的微小长度变化的装置?很多高校所编的物理学实验教材中〔１，２〕，在叙述光杠杆测量微小长度变化原理的证明时，都是假设开始实验时光杠杆平面镜的法线在水平位置，在这种特殊情况下推导出测量微小长度变化公式?在物理实验过程中，往往很难调到平面镜严格垂直于杨氏模量仪的平台?实际上，在进行仪器调节时，只要求调到光杠杆平面镜大致铅垂就可以?下面就几种不同情况，分别给出证明?１光杠杆平面镜镜面法线在水平位置时如图１，设开始时平面镜Ｍ的法线ｏｎ０在水平位置，从望远镜中可看到的标尺刻度为Ｓ０?当钢丝被拉长Δｌ时，镜面转过θ角到Ｍ′位置，法线ｏｎ０转过θ角?根据光的反射定律，从Ｓ发出的光线经平面镜反射后进入望远镜被观察到?由几何关系可得图１镜面法线在水平位置ｔａｎθ＝Δｌ／ｂｔａｎ２θ＝（Ｓ－Ｓ０）／Ｄ由于θ很小，故得到近似式θ＝Δｌ／ｂ（１）２θ＝（Ｓ－Ｓ...&
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用光杠杆镜尺法测定钢丝的杨氏弹性模量
测定钢丝的杨氏弹性模量
掌握用光杠杆测量微小长度变化的方法，了解其应用。
学习用逐差法处理实验数据。
杨氏模量测定仪，望远镜标尺架，光杠杆，标准砝码（1kg），钢卷尺，游标卡尺，螺旋测微计，重垂等。
力作用于物体所引起的效果之一是使受力物体发生形变，物体的形变可分为弹性形变和塑性形变。固体材料的弹性形变又可分为纵向、切变、扭转、弯曲，对于纵向弹性形变可以引入杨氏模量来描述材料抵抗形变的能力。杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要的物理量，是工程设计上选用材料时常需涉及的重要参数之一，一般只与材料的性质和温度有关，与其几何形状无关。
实验测定杨氏模量的方法很多，如拉伸法、弯曲法和振动法（前两种方法可称为静态法，后一种可称为动态法）。本实验是用静态拉伸法测定金属丝的杨氏模量。
在研究的纵向弹性形变时，根据杨氏弹性模量的特点，为了计算材料内部各点应力和应变的方便，可将材料做成柱状。因此，本实验中的样品为一根粗细均匀的细钢丝。
为了测量细钢丝的微小长度变化，实验中使用了光杠杆放大法，利用光杠杆不仅可以测量微小长度变化，也可测量微小角度变化和形状变化。由于光杠杆放大法具有稳定性好、简单便宜、受环境干扰小等特点，在许多生产和科研领域得到广泛应用。
本实验可以在实验方法，数据处理，长度测量等方面使学员得到基本的训练。
一、杨氏弹性模量
设细钢丝的原长L，横截面积为S，沿长度方向施力F后，其长度改变ΔL，则细钢丝上各点的应力为F/S，应变为ΔL/L。根据胡克定律，在弹性限度内
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测定钢丝的杨氏弹性模量
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杨氏模量测定仪，望远镜标尺架，光杠杆，标准砝码（1kg），钢卷尺，游标卡尺，螺旋测微计，重垂等。
力作用于物体所引起的效果之一是使受力物体发生形变，物体的形变可分为弹性形变和塑性形变。固体材料的弹性形变又可分为纵向、切变、扭转、弯曲，对于纵向弹性形变可以引入杨氏模量来描述材料抵抗形变的能力。杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要的物理量，是工程设计上选用材料时常需涉及的重要参数之一，一般只与材料的性质和温度有关，与其几何形状无关。
实验测定杨氏模量的方法很多，如拉伸法、弯曲法和振动法（前两种方法可称为静态法，后一种可称为动态法）。本实验是用静态拉伸法测定金属丝的杨氏模量。
在研究的纵向弹性形变时，根据杨氏弹性模量的特点，为了计算材料内部各点应力和应变的方便，可将材料做成柱状。因此，本实验中的样品为一根粗细均匀的细钢丝。
为了测量细钢丝的微小长度变化，实验中使用了光杠杆放大法，利用光杠杆不仅可以测量微小长度变化，也可测量微小角度变化和形状变化。由于光杠杆放大法具有稳定性好、简单便宜、受环境干扰小等特点，在许多生产和科研领域得到广泛应用。
本实验可以在实验方法，数据处理，长度测量等方面使学员得到基本的训练。
一、杨氏弹性模量
设细钢丝的原长L，横截面积为S，沿长度方向施力F后，其长度改变ΔL，则细钢丝上各点的应力为F/S，应变为ΔL/L。根据胡克定律，在弹性限度内
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