物镜像法——一种调节杨氏模量实验仪的新方法

朱盼盼，赵　涛

(东北大学，辽宁 沈阳　110819)



物镜像法
——一种调节杨氏模量实验仪的新方法

朱盼盼，赵涛

(东北大学，辽宁 沈阳110819)

拉伸法测量杨氏模量的难点是测量样品在外力作用下所对应的微小长度变化量，而微小长度变化量的测量方法是应用了光杠杆原理。在仪器调节时，由于望远镜的孔径较小，用望远镜观察光杠杆反射镜中直尺的刻度线较困难。本文提出用物镜像法调节仪器，可以简单、快速地解决上述问题。

杨氏模量；光杠杆；望远镜；物镜像

杨氏模量是描述金属材料抵抗弹性形变能力的一个重要的物理参数。拉伸法是测量杨氏模量的方法之一，其特点是直观、简便、易操作、成本低、精度高。用该方法测量杨氏弹性模量的难点和关键是对样品受力后长度微小改变量的测量，一般地采用光杠杆法[1-2]测量长度微小改变量。光杠杆法是一种应用光学转换放大原理测量微小长度改变量的装置。测量原理如图1所示。

图1　光杠杆测量原理图

其中，对d2、d1的测量很简单，而对Δn的测量则要调节仪器，在望远镜中看到由反射镜反射的直尺刻度才能实现。这也是拉伸法测量杨氏模量实验中仪器调节的的难点。提出的“物镜像法”可以使上述难点变得容易。

1　现有的调节方法

纵观各类学校大学物理实验讲义和文献资料[3-7]，现有的调节方法大概有以下几种：

(1)先调节平面镜的像使之居于望远镜视野中央，再调出直尺的刻度像。

(2)立靶法。通过立靶对望远镜进行调焦，然后用立靶瞄准法调节平面镜或者望远镜直到看到靶的中心。去掉靶，从望远镜中看到直尺的像。

(3)直接从反射镜中寻找直尺的像(不通过望远镜)，轻轻改变光杠杆反射镜的倾斜角度，直到能从反射镜中看到直尺的反射像，然后细调望远镜调出直尺的像。

2　目前调节方法存在的问题

各类大学物理实验讲义中关于光杠杆的调节方法交代的笼统，只说要“在望远镜中看到尺像”，具体怎么调，参照什么没写清楚。学生在调节仪器时，只能从宏观上调节反射镜的镜面法线方向，而微观上对反射镜的镜面法线方向无法判断、没有参照，只要在望远镜中看不到直尺的像，就盲目调节镜面法线方向，向上调看不到，再向下调。由于望远镜的孔径较小，反射镜离望远镜较远，反射镜的镜面法线方向调节无参照，使仪器调节工作占据了实验课上的大部分时间，甚至有学生到实验课结束时也调不出来。

直接从反射镜中寻找直尺像的方法，也无法判断反射镜法线是否水平。

有些文献资料里也介绍了一些调节方法，但需要增加一些辅助的仪器，待调节完毕，还要将这些辅助仪器撤掉后才能测量数据，方法不够直观和简单。

3　仪器调节的关键

在望远镜中看到由反射镜反射的尺像的关键是：

(1)反射镜与望远镜等高；

(2)望远镜轴线水平(粗调即可)；

(3)反射镜镜面法线水平。

前面两点比较容易做到，第三点是调节的难点。本文提出的“物镜像法”可以使该难点变得容易。

4　“物镜像法”

第一步：调节反射镜法线方向，使人眼在与望远镜目镜等高的位置看到从反射镜反射回来的物镜像位于反射镜的中心。

具体做法：把望远镜的物镜当作物，移动固定望远镜的支架，在望远镜筒外(望远镜目镜附近的上下左右位置)用眼睛看到从反射镜中反射回来的物镜的像，如果眼睛在比望远镜目镜低的位置观察到了物镜的反射像，此时反射镜镜面法线与水平面成俯角，可将反射镜镜面微微上仰。反之，如果眼睛在比望远镜目镜高的位置看到了物镜的反射像，则说明反射镜镜面法线与水平面成仰角，可将反射镜镜面微微前倾。重复几次微调反射镜的镜面法线，直到眼睛在与望远镜目镜等高的位置看到从反射镜反射回来的物镜像位于反射镜的中心时，反射镜镜面法线水平就调节好了，如图2所示。

图2　人眼在与望远镜等高的位置能够在反射镜中心看到望远镜物镜的反射镜

第二步：调节望远镜，看清直尺刻度。

具体做法：移动固定望远镜的支架，使眼睛沿望远镜筒上面的准线方向能够从反射镜中央看到由反射镜反射回来的直尺像；然后，调节望远镜的目镜，看清楚叉丝；再调节望远镜的物镜，看清楚直尺的刻度像；细调望远镜的镜筒轴线水平—使直尺上与望远镜镜筒轴线等高处的刻度线位于叉丝的水平线上。至此，完成了用“物镜像法”调节实验仪。如图3所示。

图3　人眼在望远镜中能够看清楚直尺刻度的像

教学实践证明，“物镜像法”是非常易于学生掌握、可以快速调好仪器的一种新方法。

5　结　　论

杨氏模量实验仪的调节是实验成功的重要步骤。采用物镜像法调节仪器，把望远镜的物镜作为物，反射镜中反射的物镜像作为调节反射镜镜面法线是否水平的参照，调节反射镜镜面法线水平。不直接通过望远镜观察直尺像，避开了由于望远镜孔径较小，直尺反射像难找这一问题。调节过程原理简单，现象直观，操作方便，容易掌握，节省时间。

[1]刘静，刘国良，赵涛.大学物理实验[M].沈阳：东北大学出版社，2009：32-37.

[2]林抒，龚镇雄.普通物理实验[M].北京：高等教育出版社，1988：81-86.

[3]朱红.杨氏模量测定仪调节方法的改进[J].长春师范学院学报，2009，28(4)：30-31.

[4]孔维姝，唐延林，胡琳.杨氏模量实验仪器调节的一种优化方法及实施方案[J].大学物理，2010，29(11)：37-40.

[5]段坤杰，王亮.杨氏模量实验的优化研究[J].许昌学院学报，2011，30(2)：35-38.

[6]谌正艮，赵青生，杨名，等.杨氏模量调节若干问题探讨[J].大学物理实验，2012，25(4)：74-77.

[7]张连玉，王永良.用光杠杆法测量杨氏模量实验的快速调节[J].大连轻工业学院学报，1996,15(1)：17-18.

[8]李儒颂，叶文江.金属丝杨氏模量实验装置的改进[J].大学物理实验，2014(5)：51-53.

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