激光反射法测量金属丝杨氏模量的改进

黎绮镟　刘树娜　程丽桦

摘 要：金属丝的杨氏模量是衡量其材质的重要参数，激光反射法相比于传统光杠杆法有所改进，但仍存在光斑较大，读数不易等误差，基于此现状，对激光反射法进行了改进，在光杠杆的平面反射镜上增加一条水平黑线。实验结果表明读取光斑暗线比读取光斑中心更为精确，与标准值吻合，标准偏差最小、实验精度最高。

关键词：杨氏模量;激光反射法;光杠杆;仪器改进

杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要物理量，是工程设计上选用材料时常需设计的重要参数。本实验基于拉伸法对激光反射法进行改进与创新，设计出利用改进后的激光反射的方法测量金属丝的杨氏模量。

1 实验原理

激光反射法是将激光器代替将传统的望远镜，将其垂直固定于带有小孔的标尺上，标尺垂直于地面。但由于激光器被固定在标尺上，而标尺离光杠杆有一定距离，导致在标尺上的光斑较大，读数有较大误差。[1，2]

基于这种情况，现将激光器移至标尺前，调节光杠杆镜面倾斜，消去光杠杆镜面倾斜的相对误差。并在光杠杆的平面反射镜中间贴上一条水平黑线，使反射到标尺的激光光斑上有一条较暗的水平线条，以此暗线在标尺上的位置进行读数。实验原理图如下图。

改进后的激光反射法實验装置图

2 实验设计

（1）将水平气泡仪放在光杠杆平台上，观察倾斜程度，通过在杨氏模量测量仪三角底座叠纸张的方式调整至平台水平，从而使镜面铅直，从而消去光杠杆镜面倾斜的相对误差。[3]

（2）用黑线穿过杨氏模量测量仪底座的两个孔，拉紧后固定黑线，用毫米刻度尺测量黑线长度，定出中点，并做上白色标记。用另一黑线从底座三角形顶角出发，穿过中点，延长向墙边，定出墙上此位置，然后在此位置悬挂铅直标尺。目的是使激光的入射光线和反射光线处于同一铅直平面。

（3）使激光器与光杠杆上的反射镜处于同一水平高度，并使其底部中线与黑线重叠。

（4）将一反光镜放置于光杠杆平台板上，置于光杠杆反光镜正前方。调节激光器左右螺丝与俯仰螺丝，使激光器发出的光线回到激光器，从而使激光发出的光线水平。

（5）在光杠杆的平面反射镜中间贴上一条水平黑线，使反射到标尺的激光光斑上有一条较暗的水平线条，以此暗线在标尺上的位置进行读数。读数时用眼睛读取光斑中心较暗的水平条带在直尺上的位置，这样减小了读数的困难，使实验调节变得非常简单，同时也提高了测量的精度。

最后，为了使激光的光斑投影的轨迹范围在铅直墙面上，需要在光杠杆后足尖垫上一小螺丝，使光杠杆反光镜的起始角度接近铅直。

3 实验结果

运用改进后的激光法一共做了两组实验，分别是读光斑暗线和读光斑中心。测得金属丝原长L为73.75cm，反射镜到钢尺距离H为2050mm，光杠杆常数D为26.76mm，金属丝平均直径为0.638 mm。每次拉力增加0.5kg，记录钢尺的刻度。以下为两组实验对应的数据：

4 结论

针对激光反射法在标尺上的光斑较大，读数有误差的情况，对激光器的位置进行调整，并在光杠杆的平面反射镜中间贴上一水平黑线。实验结果表明，利用改进后的激光反射法，读取光斑暗线比读取光斑中心更为精确，与标准值吻合，标准偏差最小、实验精度最高。

参考文献：

[1]姬忠涛，王连友，陶淑芬.利用激光测量金属丝杨氏模量的实验研究[J].曲靖师范学院学报，2008，27（06）：49-52.

[2]应雄纯.杨氏模量实验误差问题探讨[J].湖州师范学院学报，2000（S1）：7-9.

[3]戴薇.杨氏模量测量实验方法的改进[J].技术物理教学，2007（01）：45-46.

作者简历：黎绮镟（1998-），女，广东佛山人，在读学生，主要研究方向为物理学。