朱盼盼，趙　濤

(東北大學(xué)，遼寧 沈陽　110819)

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物鏡像法
——一種調(diào)節(jié)楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀的新方法

朱盼盼，趙濤

(東北大學(xué)，遼寧 沈陽110819)

拉伸法測(cè)量楊氏模量的難點(diǎn)是測(cè)量樣品在外力作用下所對(duì)應(yīng)的微小長度變化量，而微小長度變化量的測(cè)量方法是應(yīng)用了光杠桿原理。在儀器調(diào)節(jié)時(shí)，由于望遠(yuǎn)鏡的孔徑較小，用望遠(yuǎn)鏡觀察光杠桿反射鏡中直尺的刻度線較困難。本文提出用物鏡像法調(diào)節(jié)儀器，可以簡單、快速地解決上述問題。

楊氏模量；光杠桿；望遠(yuǎn)鏡；物鏡像

楊氏模量是描述金屬材料抵抗彈性形變能力的一個(gè)重要的物理參數(shù)。拉伸法是測(cè)量楊氏模量的方法之一，其特點(diǎn)是直觀、簡便、易操作、成本低、精度高。用該方法測(cè)量楊氏彈性模量的難點(diǎn)和關(guān)鍵是對(duì)樣品受力后長度微小改變量的測(cè)量，一般地采用光杠桿法[1-2]測(cè)量長度微小改變量。光杠桿法是一種應(yīng)用光學(xué)轉(zhuǎn)換放大原理測(cè)量微小長度改變量的裝置。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1　光杠桿測(cè)量原理圖

其中，對(duì)d2、d1的測(cè)量很簡單，而對(duì)Δn的測(cè)量則要調(diào)節(jié)儀器，在望遠(yuǎn)鏡中看到由反射鏡反射的直尺刻度才能實(shí)現(xiàn)。這也是拉伸法測(cè)量楊氏模量實(shí)驗(yàn)中儀器調(diào)節(jié)的的難點(diǎn)。提出的“物鏡像法”可以使上述難點(diǎn)變得容易。

1　現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方法

縱觀各類學(xué)校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義和文獻(xiàn)資料[3-7]，現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方法大概有以下幾種：

(1)先調(diào)節(jié)平面鏡的像使之居于望遠(yuǎn)鏡視野中央，再調(diào)出直尺的刻度像。

(2)立靶法。通過立靶對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)焦，然后用立靶瞄準(zhǔn)法調(diào)節(jié)平面鏡或者望遠(yuǎn)鏡直到看到靶的中心。去掉靶，從望遠(yuǎn)鏡中看到直尺的像。

(3)直接從反射鏡中尋找直尺的像(不通過望遠(yuǎn)鏡)，輕輕改變光杠桿反射鏡的傾斜角度，直到能從反射鏡中看到直尺的反射像，然后細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡調(diào)出直尺的像。

2　目前調(diào)節(jié)方法存在的問題

各類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義中關(guān)于光杠桿的調(diào)節(jié)方法交代的籠統(tǒng)，只說要“在望遠(yuǎn)鏡中看到尺像”，具體怎么調(diào)，參照什么沒寫清楚。學(xué)生在調(diào)節(jié)儀器時(shí)，只能從宏觀上調(diào)節(jié)反射鏡的鏡面法線方向，而微觀上對(duì)反射鏡的鏡面法線方向無法判斷、沒有參照，只要在望遠(yuǎn)鏡中看不到直尺的像，就盲目調(diào)節(jié)鏡面法線方向，向上調(diào)看不到，再向下調(diào)。由于望遠(yuǎn)鏡的孔徑較小，反射鏡離望遠(yuǎn)鏡較遠(yuǎn)，反射鏡的鏡面法線方向調(diào)節(jié)無參照，使儀器調(diào)節(jié)工作占據(jù)了實(shí)驗(yàn)課上的大部分時(shí)間，甚至有學(xué)生到實(shí)驗(yàn)課結(jié)束時(shí)也調(diào)不出來。

直接從反射鏡中尋找直尺像的方法，也無法判斷反射鏡法線是否水平。

有些文獻(xiàn)資料里也介紹了一些調(diào)節(jié)方法，但需要增加一些輔助的儀器，待調(diào)節(jié)完畢，還要將這些輔助儀器撤掉后才能測(cè)量數(shù)據(jù)，方法不夠直觀和簡單。

3　儀器調(diào)節(jié)的關(guān)鍵

在望遠(yuǎn)鏡中看到由反射鏡反射的尺像的關(guān)鍵是：

(1)反射鏡與望遠(yuǎn)鏡等高；

(2)望遠(yuǎn)鏡軸線水平(粗調(diào)即可)；

(3)反射鏡鏡面法線水平。

前面兩點(diǎn)比較容易做到，第三點(diǎn)是調(diào)節(jié)的難點(diǎn)。本文提出的“物鏡像法”可以使該難點(diǎn)變得容易。

4　“物鏡像法”

第一步：調(diào)節(jié)反射鏡法線方向，使人眼在與望遠(yuǎn)鏡目鏡等高的位置看到從反射鏡反射回來的物鏡像位于反射鏡的中心。

具體做法：把望遠(yuǎn)鏡的物鏡當(dāng)作物，移動(dòng)固定望遠(yuǎn)鏡的支架，在望遠(yuǎn)鏡筒外(望遠(yuǎn)鏡目鏡附近的上下左右位置)用眼睛看到從反射鏡中反射回來的物鏡的像，如果眼睛在比望遠(yuǎn)鏡目鏡低的位置觀察到了物鏡的反射像，此時(shí)反射鏡鏡面法線與水平面成俯角，可將反射鏡鏡面微微上仰。反之，如果眼睛在比望遠(yuǎn)鏡目鏡高的位置看到了物鏡的反射像，則說明反射鏡鏡面法線與水平面成仰角，可將反射鏡鏡面微微前傾。重復(fù)幾次微調(diào)反射鏡的鏡面法線，直到眼睛在與望遠(yuǎn)鏡目鏡等高的位置看到從反射鏡反射回來的物鏡像位于反射鏡的中心時(shí)，反射鏡鏡面法線水平就調(diào)節(jié)好了，如圖2所示。

圖2　人眼在與望遠(yuǎn)鏡等高的位置能夠在反射鏡中心看到望遠(yuǎn)鏡物鏡的反射鏡

第二步：調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，看清直尺刻度。

具體做法：移動(dòng)固定望遠(yuǎn)鏡的支架，使眼睛沿望遠(yuǎn)鏡筒上面的準(zhǔn)線方向能夠從反射鏡中央看到由反射鏡反射回來的直尺像；然后，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的目鏡，看清楚叉絲；再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的物鏡，看清楚直尺的刻度像；細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡的鏡筒軸線水平—使直尺上與望遠(yuǎn)鏡鏡筒軸線等高處的刻度線位于叉絲的水平線上。至此，完成了用“物鏡像法”調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀。如圖3所示。

圖3　人眼在望遠(yuǎn)鏡中能夠看清楚直尺刻度的像

教學(xué)實(shí)踐證明，“物鏡像法”是非常易于學(xué)生掌握、可以快速調(diào)好儀器的一種新方法。

5　結(jié)　　論

楊氏模量實(shí)驗(yàn)儀的調(diào)節(jié)是實(shí)驗(yàn)成功的重要步驟。采用物鏡像法調(diào)節(jié)儀器，把望遠(yuǎn)鏡的物鏡作為物，反射鏡中反射的物鏡像作為調(diào)節(jié)反射鏡鏡面法線是否水平的參照，調(diào)節(jié)反射鏡鏡面法線水平。不直接通過望遠(yuǎn)鏡觀察直尺像，避開了由于望遠(yuǎn)鏡孔徑較小，直尺反射像難找這一問題。調(diào)節(jié)過程原理簡單，現(xiàn)象直觀，操作方便，容易掌握，節(jié)省時(shí)間。

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A New Method for Apparatus Adjustment of Young's ModulusExperimentBasedontheImageofObjectiveLens

ZHU Pan-pan,ZHAO Tao

(Northeastern University,Liaoning Shenyang 110819)

Thedifficultyofmeasuringyoung'smodulusbythepullingmethodisthesmalllengthchangeofsamplesundertheactionoftheexternalforce,andtheopticallevermethodisthemostcommonwayappliedtotakethemeasurement.Duringtheapparatusadjustment,duetothesmallapertureoftelescope,observingscaleismoredifficultwithatelescope.Inthispaper,weproposeanewmethodtoadjustapparatusbasedontheimageofobjectivelens,itwillbesimpleandfasttosolvetheaboveproblems.

Young'smodulus；opticallever；telescope；theimageofobjectivelens

2016-03-06

1007-2934(2016)04-0062-03

O4-33

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.020