干涉法测量杨氏模量
偏振光光干涉原理测钢丝的杨氏模量

偏振光光干涉原理测钢丝的杨氏模量(这只是个人思路,里面有不妥的地方,仅供参考)【实验目的】1、观察偏振光光干涉现象,加深对光的偏振性的认识。
2、学会用逐差法和作图法处理数据。
3、掌握利用偏振光干涉测钢丝的弹性模量的原理。
【实验原理】根据《大学物理实验》实验二“拉伸法测钢丝的弹性模量”知,任何材料的杨氏模量E 都仅与材料性质有关,与其长度、截面积无关,这个量表明物体在外力作用下发生形变的难易程度,其大小为//F S FLE L L S L==∆∆ (1) 本次实验要测量的是钢丝的杨氏模量。
钢丝长度约为1米,直径约为0.8毫米,利用若干个质量为1千克的砝码的重力对钢丝产生拉力使其形变。
由于伸长量L ∆微小(小于1毫米),不能用米尺直接测量,则需借助光学方法和光学仪器来提高测量精度。
如图所示,单色自然光入射,通过第一个偏振片变为偏振光,透过1/4波片成为椭圆偏振光。
它可以两个线偏振光来表示,它们的振幅分别为1o A 和1e A ,它们之间的相位差为'2()o e n n d πϕλ∆=-。
再透过第二个偏振片,垂直于其偏振化方向的分量被吸收,因此,1o A 、1e A 中只有沿偏振化方向的分量才能透过,它们的振幅分别为21sin cos sin e e x A A A ααα== 21cos sin cos o o x A A A ααα==α为入射偏振光振动面与光轴之间的夹角。
它们之间相位差为2()o e n n d πϕπλ∆=-+附加的相位差π是由于1o A 和1e A 投影方向不同选择统一的振动正方向,则应加π。
所以干涉区透射光强度即为两个线偏振光的相干叠加,其振幅满足22222222cos e o e o A A A A A ϕ=++∆对于1/4波片,32ϕπ∆=即cos 0ϕ∆=,所以222222222sin cos e o x A A A A αα=+= 于是透过第二块偏振片的光强为222sin cos x I I αα=对上式两边求导得:sin 4x I I αα∆=∆ (2) 对于适当大的α,由于α∆非常小,所以sin 4α可以看作常数。
双缝干涉法测量金属的杨氏模量

L= s s Δ 1- 0=
- D λ, x Δ x ) ( Δ
1 0
1
1
( ) 3
) 由( 式即可求出杨氏模量为 1
L 4 Y= 2 d π
(
F . 1 1 - D λ x x Δ Δ 1 0
)
( ) 4
对表 1 中 的 m s i~ i 用最小二乘法线性拟合
3 实验数据与结果
测量时先加砝码使钢丝伸直 , 调整激光器 、 扩 束镜 、 双 缝、 测微目镜( 加上 C 的中 D 辅 助 读 数) C 心在同一高度 ( 如图 3 所示 ) .当光束垂直人射到 双缝平面上 , 测微 目 镜 屏 上 出 现 清 晰 的 干 涉 条 纹 ( , 将 如图 4 所示 ) 光 标 停 在 初 始 位 置 读 数 为 X1 i, 读 数 为 X2 光标移过 明 纹 ( 或 暗 纹) n 条, i.所 以
3 8
物 理 实 验
第3 4卷
置安装在常见的拉伸式杨氏模量实验仪中部的平 台上 , 当给钢丝施加拉力时, 钢 丝 伸 长, 带动活动 缝下移 , 引起狭缝间宽度的变化 , 由此干涉条纹发 生变化 .
) ) L= ( 9 8. 7 d= ( 0. 5 5 3±0. 0 5 c m, 8 7±0. 0 0 4 mm, 3 2. 8n m.表 1 是 逐 渐 增 加 砝 码 测 量 的 实 验 λ=6 数据 .
4 结束语
与传统的拉伸 法 测 量 杨 氏 模 量 相 比 , 双缝干 涉法克服了光杠 杆 法 用 望 远 镜 读 数 困 难 的 问 题 ; 与衍射法相比 , 双缝干涉法的计算过程简单 , 又是 多倍数测量取平均值可减少读数误差 .若在测微 不仅 目镜读数窗口处加装普通的 C D 协助读数 , C 使观察到的干涉 条 纹 的 位 置 稳 定 不 变 , 而且还能 提高 分 辨 效 果 , 读 数 更 方 便 直 观 .本 实 验 装 置 的 双缝 是 用 薄 金 属 板 刻 制 的 , 可 以 自 由 装 卸 .当 取 下双缝薄片 , 此装置还可以做单缝衍射实验 .
运用等厚干涉法测定杨氏模量的研究

运用等厚干涉法测定杨氏模量的研究摘要:准确地测定金属丝的杨氏模量,关键是准确测量其伸长量及直径,采用外力加载使细丝在外力作用下伸长,与细丝成套的紧密相结合的圆塞下降,杠杆受力不平衡,于是与玻片紧密相连接的一端上升,使玻片形成空气劈尖,通过读数显微镜观察,测出玻片一定长度处的空气劈尖的厚度,并记下此处的玻片长度,通过同玻片全长的比例系数,转化为空气劈尖的末端的厚度。
再通过杠杆的比例系数转化为细丝的伸长量,通过相关的数据、公式计算出该种物质的杨氏模量。
关键字:以微量变化测微量变化;杠杆;劈尖干涉;干涉条纹;杨氏模量1.引言杨氏模量是描绘固体材料抵抗形变能力的重要物理量,是工程技术上极为重要的常用参数,测量杨氏模量的方法很多。
本实验主要是学习拉伸法测钢丝的杨氏模量,实验中综合运用了多种测量长度的方法,以及用光的干涉来测定微小长度,通过杠杆原理来放大或转化测量方式,将传统的机械式测量长度的方法转化成非传统的间接测量方法。
光的干涉现象是光的波动性的一种表现。
薄膜干涉在波动光学中是一种利用分振幅的方法获得相干光产生的干涉现象。
薄膜干涉可分为等倾干涉和等厚干涉,劈尖干涉是一种典型的等厚干涉现象。
实验仪器:1、YMC-1型杨氏模量测定仪,钢卷尺,千分尺,一千克的砝码若干。
2、读数显微镜,钠灯及光源,10厘米长的玻片(特别制作)3、杠杆。
2.实验方案(设计思想)用拉伸法测金属丝的杨氏模量物体在外力作用下,总会发生形变,当形变不超过某一限度,外力消失后,形变随之消失,这种形变称之为“弹性形变”,发生弹性形变时,物体内部产生恢复原状的内应力,杨氏模量正是反应固体材料形变为内应力关系的物理量。
本实验中形变为拉伸形变,即金属丝发生轴向拉伸形变。
设金属丝长为L,横截面积上当垂直作用力F/S称为正应力,金属丝的相对伸长量△L/L称为线应变,实验结果表明:在弹性形变范围内,正应力与线应变成正比,即:F/S=Y﹒△L/L (一)式中的系数称为杨氏模量。
《大学物理实验》-06杨氏模量测定

实验六 杨氏模量测定1、拉伸法测量金属丝杨氏弹性模量一、实验目的1.掌握用光杠杆测量微小长度的原理和方法,测量金属丝的杨氏模量。
2.训练正确调整测量系统的能力。
3.学习一种处理实验数据的方法——逐差法。
二、实验原理1. 杨氏模量固体在外力作用下都会发生形变,同外力与形变相关的两个物理量应力与应变之间的关系一般较为复杂。
由胡克定律可知,在弹性限度内,钢丝的应力与应变成正比,比例系数 Y 称为杨氏模量;杨氏模量描述材料抵抗弹性形变能力的大小,与材料的结构、化学成分及制造方法有关。
杨氏模量是工程技术中常用的力学参数。
设有一根长为L ,横截面积为S 的钢丝,在轴向力F 的作用下,形变是轴向伸缩,且为△L,在弹性限度内,胁强F S 和胁变L L Δ成正比,既F Y S LL Δ= (1) 式中比例系数Y 称为该固体的杨氏模量。
在国际单位中,它的单位是牛顿/,记为。
是用一般长度量具不易测准的微小量,本实验用光杠杆法对其进行测量。
2米2−Nm L Δ设实验中所用钢丝直径为d ,则241d S π=,将此公式代入上式整理以后得24FLY d Lπ=Δ (2) 上式表明,对于长度L ,直径d 和所加外力F 相同的情况下,杨氏模量Y 大的金属丝的伸长量L Δ小。
因而,杨氏模量表达了金属材料抵抗外力产生拉伸(或压缩)形变的能力。
2.光杠杆原理如图1,光杠杆是一个支架,前两脚与镜面平行,后脚会随金属丝的伸长而上升或下降。
由三角函数理论可知,在θ很小时有tg θ≈θ、tg2θ≈2θ,于是根据图示几何关系可得图1将(3)式代入(2)式有: 28FLDY d l xπ=Δ将F =mg 代入上式,得出用伸长法测金属的杨氏模量Y 的公式为三、实验仪器杨氏模量仪(带光杠杆、望远镜和标尺),1kg 砝码若干,米尺,游标卡尺,千分尺,试样为1m 左右的钢丝。
图2所示为杨氏模量装置,待测钢丝由上夹具固定在立柱的顶端,下端用圆柱活动夹具头夹紧,圆柱形夹具穿过固定平台的圆孔,能随金属丝的伸缩而上下移动,其下端挂有砝码挂钩。
激光干涉法测量杨氏模量.doc

激光干涉法测杨氏模量任何物体或材料在外力作用下都会发生形变。
在弹性限度内,料的胁强与胁变( 即相对形变)之比为一常数,叫弹性模量。
杨氏模量是描述固体材料弹性形变能力的一个重要的物理量,也是生产、科研中选择合适机械零件材料的重要依据,尤其是在工程技术设计中常常被用到,可见,如果我们能够找到一种精确测量杨氏模量的方法,这种方法必将会在上面我们提到的领域甚至是尚未开发的领域中举足轻重!其实,我们并不是没有找到测量杨氏模量的方法,相反,正是因为杨氏模量的重要,我们才致力于去寻找各种方法来对它进行测量,迄今为止测量杨氏模量的方法已经很多,一般有拉伸法、梁弯曲法、振动法、内耗法等,还出现了利用光纤位移传感器、莫尔条纹、电涡流传感器和波动传递技术(微波或超声波)等实验技术和方法。
拉伸法即我们常说的光杆杆法就是一种目前为止被公认的比较权威的测量杨氏模量的方法,它是应用了光的反射定律实现了动态的和非直接接触式的放大测量,如下图所示:这种方法广为大众所接受肯定有其闪光点,比方说,对于学生或者是非科研人员来说,它的原理简单易懂,只要操作上没有出现大的问题,测量出的结果都是有意义的,尤其对于学生来说,它涵盖了很多知识,学生在做这个实验的同时巩固了关于望远系统、测不准原理、逐差法等知识。
但是,我们仍然不应该满足于光杆杆法,因为,光杆杆法还是有它难掩的缺点,比如这种方法对于反射光路的调整有着严格的要求,直观性较差,得出的结果往往基于多种间接测量量,此外处理大量数据的过程中又难免带入人为因素,再加上避免不了的系统误差,在这种情况下测量出的杨氏模量,我想是很难广泛用于科研等高端领域的。
针对这些问题,我们尝试了用激光干涉的方法来测量杨氏模量,我们都知道激光以其光束亮度高、方向性好、能量集中等其它光束难以比拟的优点,利用激光进行的各种测量技术于是应运而生,我们在分析了光杆杆放大测量方法的特点后,在此基础上进行了改进,由于测量微小伸长量是关键,我们采用了劈尖的等厚干涉法代替光杠杆装置去测伸长量在本实验中,把钢丝的微小变化转化为两个平面镜形成的空气薄膜厚度的相对变化,这就是大家熟悉的迈克尔逊干涉仪的设计原理,利用干涉现象测量间接测量钢丝的微小伸长量。
用迈克尔逊干涉仪测杨氏模量 .doc

评分:大学物理实验设计性实验实 验 报 告实验题目:用迈克尔逊干涉仪测杨氏模量茂名学院 物理系 大学物理实验室实验日期:200 年 月 日班 级:姓 名:学号:指导教师:方运良实验提要实验课题及任务《用迈克尔逊干涉仪测量金属丝的杨氏模量》实验课题任务是:利用迈克尔逊干涉仪能精密测量微小变量的特点,测量出钢丝在拉力作用下的微小伸长量,用特制的测力计测量拉力大小。
设计实验方案,测定钢丝的杨氏模量。
学生根据自己所学的知识,并在图书馆或互联网上查找资料,设计出《用迈克尔逊干涉仪测量金属丝的杨氏模量》的整体方案,内容包括:写出实验原理和理论计算公式,研究测量方法,写出实验内容和步骤,然后根据自己设计的方案,进行实验操作,记录数据,做好数据处理,得出实验结果,写出完整的实验报告,也可按书写科学论文的格式书写实验报告。
设计要求⑴通过查找资料,并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书,了解仪器的使用方法,找出所要测量的物理量,并推导出计算公式,在此基础上写出该实验的实验原理。
⑵根据实验用的测量仪器,设计出实验方法和实验步骤,要具有可操作性。
⑶用最小二乘法求出杨氏模量。
⑷实验结果用标准形式表达,即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。
实验仪器迈克尔逊干涉仪、测力计、激光器。
教师指导(开放实验室)和开题报告1学时;实验验收,在4学时内完成实验;提交整体设计方案时间学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。
提交整体设计方案,要求用纸质版(电子版用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里)供教师修改。
参考文献(1)金正宇一个经典力学实验测量方法的改进——霍尔传感器测杨氏模量[J] 实验室研究与探索,2000 (2)张帮利用迈克耳孙干涉原理测杨氏模量[J] 大学物理实验2007(3)陈水波,乐雄军测量杨氏模量的智能光电系统【J】物理实验,2001原始数据实验日期:12月16日实验中测得金属丝的直径d长度为L=( 25.25 ± 0.1 )cm, He-Ne激光器λ=632.8nm《用迈克尔逊干涉仪测量金属丝的杨氏模量》实验实验目的:1 了解迈克尔逊干涉仪得原理,结构及调整方法。
用杨氏双缝干涉法测杨氏模量实验

用杨氏双缝干涉法测杨氏模量实验一、实验目的1. 观察杨氏双缝干涉图样。
2. 掌握杨氏双缝干涉图样形成的干涉机理。
3. 掌握不同长度测量器的使用方法。
4. 学会利用杨氏双缝干涉图样测量双缝间距。
5. 学会用拉伸法测定金属丝的杨氏模量。
二、实验仪器1:激光(加圆孔光阑) 4:透镜L 2 ( f = 150 mm )2:透镜L 1 ( f = 50 mm ) 5:双缝D3:可调狭缝S 6:测微目镜M7:钢卷尺(0-200cm ,0.1 8:游标卡尺(0-150mm,0.02) 9:螺旋测微器(0-150mm,0.01)图6-4三、实验原理(1)杨氏双缝干涉原理如图2.9-2所示,用用激光束照射单缝S,使S成为缝光源发射单色光。
在狭缝S前放置两个相距为d(d约为1mm)的狭缝S1和S2,S到狭缝S1和S2的距离相等。
S1、S2是由同一光源S形成的,是同方向、同频率、有恒定初相位差的两个单色光源发出的两列波,满足相干条件,因此在较远的接收屏上就可以观测到干涉图样。
设为此二狭缝的距离,D为二狭缝连线到屏幕的垂直距离。
OS是S1、S2的中垂线,屏上任一点P与点O的距离为x,P到S1和S2的距离分别为r1、r2。
设θ为P点和O点与双缝中点的张角(见图2.9-2),则由S1、S P点的波程差为2发出的光到(2.9-1)波程差在空气中近似等于光程差。
在实验中,通常D>>d,D>> x时才能获得明显的干涉条纹。
即θ角很小,。
图2.9-2 杨氏双缝干涉实验原理图根据波动理论,当两束光的光程差满足,点干涉增强出现明纹。
所以屏上各条明纹中心的位置为:(2.9-2)式中为干涉条纹的级数,为单色光波长。
同样地,当,P点因干涉减弱出现暗纹。
屏上各条暗纹中心的位置为:(2.9-3)由以上两式可以求出相邻明条纹或暗条纹的间距为(2.9-4)可以看出,干涉条纹是等距离分布的,与干涉级数k无关。
条纹间距的大小与入射光波长及缝屏间距D成正比,与双峰间距d成反比。
三种杨氏模量测量方法比较

收稿 日期 :2 1 —0 4 0 1 4一l
逐差法和作图外推法等。可见 , 氏模量测量实验 杨 在 帮助 学生 积累科 研 初 步经 验 方 面具 有 重要 价 值 ,
为提高学生的操作技能和综合素质提供了极佳的实
训平台。本文探讨 了几种杨氏模量 测量方法 的特 点 ,分析 了其主要误差来源,并就如何有效地组织 教学提出了若干参考建议。
t c i g s me b n f i ta h n u g sin fme s r g me h d fy t ' mo uu e p tfr a d i o ii g t e t c i gr — e h n . o e ei  ̄ e c i g s g e t so a u n t o s o omgs d l sa u w r c mb n n e h n a e o i r o n h a e
n lzd a aye .Ac odn oterc aatr t sa d teap c fcl v t gsu e t n o aie e p b ̄y tru h p y ise p r na cr igt i h rce si n h se to ut ai td n’ in v t a a it ho g h s x e me tl h i c i n s v c i
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应用光的干涉现象测量金属丝的杨氏弹性模量
Application of optical interference phenomenon
measuring the young's elasticity modulus of wire
青岛科技大学高分子科学与工程学院高材111 王冠男学号1103010103 【引言】:传统的杨氏模量测量仪使用复杂,同时不容易调节,测量误差较大,故改进。
应用光的干涉现象可以对微小形变,微小角度等进行测量。
使用劈尖干涉仪和杨氏模量测量仪的组合装置,用金属因拉力造成的微小形变代替头发丝的直径,进行测量,省略了对杨氏模量测量仪的水平调节过程,同时增加了实验的精确度。
Preface: The traditional young's modulus measuring instrument is complex to be used, and at the same time, not easy to control, and the measurement error is big, so I have improved it. Using the application of optical interference phenomenon , so that we can measure the small deformation, small Angle, etc. Use cleft tip interferometer and young's modulus measuring instrument combination device, with metal for tension caused by small deformation instead of the diameter of the hair, measurement, omitted the adjustment process of young's modulus measuring instrument,at the same time increased the accuracy of the experiment
关键词:光的干涉,杨氏模量,测量微小形变
Keywords: interference of light, young's modulus, measure the small deformation
【实验原理】
1、劈尖干涉原理
劈尖干涉现象在科学研究领域与计量技术中有广泛的应用,如测量光波波长,检验表面的平面度、球面度、粗糙度,精确测量长度、角度、微小形变,以及研究工件内的应力分布等。
如图1所示,平行光由折射率为的介质中垂直入射折射率为住的劈尖.在劈尖上表面处入射光线一部分会反射,一部分会折射进入劈尖内部.如果劈尖的夹角很小,可以认为反射光线原路返回,折射光线垂直于劈尖下表面,折射光线经劈尖下表面反射后进入劈尖上表面在入射点与反射光线发生干涉r7].干涉的光程差为:
△=2d+(λ/2) (1)
其中, (λ/2)为附加光程差( n1<n2 时也有);d为人射点处劈尖的厚度.我们关心干涉的暗纹,因为干涉的暗纹比较细,测量时读数比较精确。
干涉的暗纹条件为:
2d+(λ/2)=(2k+1) (λ/2),k=0,1,2,⋯(2)
因此,干涉条纹是等间距的,第K级暗条纹其对应的厚度为:
d=K(λ/2) (3)
由此可知,K=0时,d=0即在两玻璃片接触线处为零级暗条纹;如果细丝处呈现K=N级暗条纹,如图1所示,则待测空气劈尖厚度为:
d=N(λ/2) (4)
图1 劈尖干涉原理图
2、测量杨氏模量原理
任何物体在外力作用下都要发生形变,当外力撤除后能够完全恢复原状的称为弹性形变。
如果加在物体上的外力过大,以至外力撤除后,物体不能完全恢复原状而留下剩余形变的称为范性形变。
本实验只研究弹性形变.
设钢丝截面积为S,长为L,在外力F的作用下伸长。
根据胡克定律,在弹性限度内:
(5)
式中。
比例系数E就是材料的杨氏弹性模量,简称弹性模量,它表征材料本身的性质,E 越大的材料,要使它发生一定应变所需的单位横截面上的力也就越大。
可得:
(6)
上式中.D为钢丝直径。
其中F、L、D都比较容易测量,而伸长量从因为很小,很难用普通测量长度的仪器测出,本实验采用劈尖干涉法来测量。
由于金属丝被拉长,夹持件下降,而导致劈尖的后足尖下降一段距离△L(即金属丝的伸长量),同时镜面转过一个微小角度θ,引起空气劈尖厚度发生改变,从而使干涉条纹条数和位置发生改变。
【实验装置】
本实验实验装置如图所示:
B处的光杠杆镜片换为劈尖的玻璃片a,另一片玻璃片b下部边缘与a紧贴。
如图3所示。
其中,a、b两玻璃片的长度相等。
读数显微镜
b
图3劈尖处局部示意图(a可转动,b不可动)
图2 实验装置示意图
故,数出从两玻璃片交界处到劈尖末端的干涉条纹条数的改变量,可由公式(4)求出劈尖玻璃片a的下移距离△L。
【实验器材】
干涉法弹性模量测量仪,砝码,螺旋测微仪,米尺,高压钠灯
【实验步骤】
1、把弹性模量测量仪调成铅直。
2、在试件(金属丝)下部挂上砝码托,以便拉直试件。
3、将劈尖放在小平台上(前足尖置于沟槽内,后足尖放在小圆柱体上,但不能触碰试件)。
4、调节读数显微镜的目镜、物镜、物距、反射镜的角度及光源角度和位置,是干涉条纹清晰且无视差。
5、调节显微镜以及劈尖方位,旋转读数显微镜鼓轮,使叉丝走向与暗条纹垂直。
6、从零开始依次增加一个砝码(1kg)待砝码托稳定后,逐一测出每间隔十条暗条纹的条纹位置坐标,记录于实验数据记录表中,用逐差法求出干涉条纹的间距l。
7、再依次减一个砝码。
重复步骤6,测出干涉条纹间距l’。
8、测量劈尖端头到劈尖末尾总长度P,测量五次以上取平均值。
9、在金属丝的不同位置测量直径,金属丝长度L记录相应的数据,并填入数据记录表中。
10、计算金属丝的弹性模量
【数据处理】
1、将直径测得值取算术平均值D,并求得误差△D。
2、由公式(4)计算出l、l’对应的空气厚度d、d’。
3、计算每个重量下增、减两次得到的的平均值,作为相应重量作用下的干涉条纹间距d’ ’。
4、进而由d以及劈尖端头到劈尖末尾总长度P(即玻璃片a的厚度),通过勾股定理,使
用计算机求出此时劈尖末尾到小平台的精确高度H。
5、△H=△L
6、由公式(6)算出杨氏弹性模量E=E±△E。
= mm = mm = mm
l(平均)= mm σl(平均)= mm l= l(平均) ±σl(平均)= mm
同理可得l’的表格,并求得l’’,通过公式
d(平均)=[P(平均)/ l(平均)]* (λ/2)
σd= mm
d= d(平均)±σd= mm
H=√(P^2—d^2)
注:钠黄光波长λ=589.2nm
【注意事项】
1、在同一砝码的增、减两种情况下,劈尖暗条纹读数可能不一样,这是正常的,是由于试件型变量需要一段时间恢复的缘故。
2、实验时,砝码的取、放要轻,以减少试件的震动,便于读数。
3、注意保护劈尖干涉仪器目镜物镜等。
4、取放砝码时要注意安全,防止砸伤。
【参考文献】
葛松华. 唐亚明,《大学物理基础实验》,北京:化学工业出版社2008.12 第27—30页共4页
葛松华. 唐亚明,《大学物理基础实验》,北京:化学工业出版社2008.12 第154—156页共3页。