利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法，实验装置由顶板、底板、底板棱镜、顶板棱镜、转向棱镜、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、细丝和连接柱组成。其通过底板棱镜和顶板棱镜使激光多次发生180°转向，通过转向棱镜使激光发生90°转向，进而形成激光发射器‑顶板棱镜、底板棱镜、转向棱镜‑激光接收器的激光回路。通过分析作用发生前后整体光路长度的变化得到细丝的长度变化，将毫米级的微小细丝长度变化测量转化为米级的整体激光回路距离的测量，提高了测量精度，且受外界环境干扰小。本发明专利技术简便快捷，对实验操作技能要求低，适合于物理实验教学。

【技术实现步骤摘要】
利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法
本专利技术涉及一种物理实验装置与方法，具体地指利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法。
技术介绍
测量细丝微小长度变化是金属丝弹性模量和金属丝线膨胀系数测定等实验中的关键问题。现实中由于实验中金属细丝的长度变化通常是一个微量，一般在0.1mm～1mm之间，因此常规的测量方法无法满足实验精度要求。现有的大学物理实验中广泛采用的是光杠杆法测金属丝微小线性变形，光杠杆方法采用光杠杆反射镜随金属丝伸长而发生倾斜，根据反射光线位置变化推导出光杠杆反射镜的倾斜角度，进而得到金属丝的伸长量。该方法设备简单应用广泛，但由光杠杆反射镜、望远镜及标尺所组成的光学系统难于调节，调试好后又易受到外部环境干扰，实验操作中稳定性差，影响实验精度，且光杠杆法实验操作复杂、测量费时。这就要求采用光杠杆法测量细丝长度微小变化时实验者操作精准熟练，因此，测量结果的精度受人为因素的影响比较大。在实践教学中受学生动手能力和熟练程度的限制，一般很难得到理想的实验结果。本专利技术提供了一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法。全反射棱镜即主截面是等腰直角三角形的棱镜，其利用全反射原理来改变光路的行进方向，当光从直角面垂直入射时，光线无损失地偏转90°，当光从斜面垂直入射时，光线无损失地逆转180°。本专利技术利用全反射棱镜来改变光线路径，结合激光测距仪测量整体光路距离，进而根据加载前后整体光路距离变化获得细丝的微小长度变化。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置和方法，该装置和方法实现了简便快速准确的测量细丝微小长度变化。为达到上述目的，本专利技术所述实验装置，包括：顶板、底板、底板棱镜、顶板棱镜、转向棱镜、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、细丝、连接柱。所述底板棱镜、顶板棱镜与转向棱镜均为全反射棱镜，其横截面为等腰直角三角形，横截面的直角所在纵向边称为直角边；横截面的斜边所在纵向表面称为斜边面；横截面的直边所在纵向表面称为直边面；所述顶板和底板为矩形刚性平面板，顶板和底板上下相对平行布置，顶板上表面固定；所述激光发射器、激光接收器、激光测距仪布置于底板上表面的前侧左角处，其中激光发射器可以发射竖向激光，激光接收器可接收水平激光，激光发射器和激光接收器底部连接有激光测距仪，其通过处理激光发射器和激光接收器接发出收到的激光信号特征显示整体光路长度。所述底板棱镜为两行平行布置的全反射棱镜，两行底板棱镜数量相等，均为n个，沿底板横轴对称布置于底板的两个长边上，底板棱镜的直角边固定于底板，直角边与底板长边垂直，底板棱镜的斜边面与底板平行；底板上表面后侧左角、顶板下表面的前侧右角和后侧右角均设有转向棱镜，所述转向棱镜的一个直边面与底板(顶板)平面垂直，另一个直边面与相邻的底板(顶板)棱镜斜边面相连，其直角边与底板和顶板的长边平行，转向棱镜的斜边面朝向装置外侧，直角边靠近底板和顶板的中心。所述底板棱镜和顶板棱镜尺寸相同，且数量均为2n个，其直角边长度为h，横截面斜边长度为2h；转向棱镜的直角边长度为h，横截面直边长度为h。所述顶板棱镜为两行平行的全反射棱镜，沿顶板下表面的两个长边布置，布置形式与底板棱镜相同；且顶板棱镜与底板棱镜交错相对，使顶板棱镜各棱镜的连接边与其下部的底板棱镜的直角边在同一个铅垂面内。在顶板的下表面和底板的上表面中心处均布置有连接柱，连接柱的高度等于底板棱镜和顶板棱镜高的一半，即h/2。所述细丝连接于两个连接柱之间。本专利技术所述实验装置实验时通过底板棱镜和顶板棱镜使激光发射器发射的激光发生180°转向，通过转向棱镜使激光发生90°转向，形成激光发射器-顶板棱镜、底板棱镜、转向棱镜-激光接收器的激光回路。根据各棱镜尺寸数量与顶板底板尺寸，可知本实验装置的激光回路中激光水平向传播路程不变，总长度为定值S1。基于以上所述实验装置和原理分析，本专利技术提供的一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验方法的主要步骤如下：(1)已知所述实验装置顶板棱镜为2n个，底板棱镜为2n个，转向棱镜为3个，取一段细丝两端分别连接于顶板和底板的两个连接柱之间，调整底板位置，使底板水平且与顶板上下相对；(2)接通激光发射器、激光接收器和激光测距仪电源，测量激光回路长度S，根据已知所述实验装置形成的激光回路中水平传播过程总长度为定值S1，激光全部传播过程包含4n+2个竖向传播光路，得到激光回路的竖向传播距离S2＝(4n+2)H＝S-S1，其中H为单个竖向光路长度，得到初始状态下细丝的长度为L＝H＝(S-S1)/(4n+2)；(3)在外部作用使细丝长度变化后，重新测量激光回路长度S`，根据已知装置激光回路所有水平传播过程距离仍为定值S1，得到激光回路的竖向传播距离S`2＝(4n+2)H`＝S`-S1，则变化后的细丝长度为L`＝H`＝(S`-S1)/(4n+2)；(4)计算外部作用引起的细丝的长度变化ΔL＝L`-L＝(S`-S)/(4n+2)。本专利技术通过上下相对交错布置的全反射棱镜和转向全反射棱镜形成闭合激光光路，根据激光测距仪测得的作用前后整体光路长度变化，获得连接于上板和下板中心间的细丝长度变化。相比于现有的实验装置和方法，本专利技术有如下优点：1、依靠全反射棱镜改变激光传播途径，通过激光测距仪读取整体光路长度，减少外部干扰，操作简单，对仪器操作能力和熟练程度要求低，适于初学者使用；2、通过多个全反射棱镜形成激光竖向往复传播，将毫米级的微小细丝长度变化测量转化为米级的整体激光回路距离的测量，提高了测量精度。本专利技术操作简单且精度高，适合用于物理实验教学。以测量精度为1mm的相位式激光测距仪为例，当本专利技术所述实验装置底板棱镜和顶板棱镜数量均为4个时，理论上测量精度即可达到0.1mm，这完全满足细丝微小长度变化的精确测量要求。附图说明图1是本专利技术所述实验装置三维示意图；图2是本专利技术所述转向棱镜及相邻底板(顶板)棱镜示意图；图3是本专利技术所述实验装置主视图；图4是本专利技术所述实验装置后视图；图5是本专利技术所述实验装置左视图；图6是本专利技术所述实验装置右视图；图中：1、顶板；2、底板；3、底板棱镜；4、顶板棱镜；5、转向棱镜；6、激光发射器；7、激光接收器；8、激光测距仪；9、细丝；10、砝码；11、连接柱。具体实施方式下面结合附图和一个具体实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，本实施例所述实验装置由顶板1、底板2、底板棱镜3、顶板棱镜4、转向棱镜5、激光发射器6、激光接收器7、激光测距仪8、细丝9、砝码10、连接柱11组成。如图1所示，顶板1和底板2为长方形刚性薄板，底板2上表面左侧内角布置有激光发射器6、激光接收器7、激光测距仪8，激光发射器6与激光接收器7连接于激光测距仪8，所述激光测距仪8为相位式激光测距仪，测量精度1mm。如图1所示，底板2的两个长边方向分别布置有4个底板棱镜3，顶板1两个长度方向分别布置有4个顶板棱镜4；如图2所示，底板棱镜3和顶板棱镜4均为全反射棱镜，其横截面为等腰直角三角形，横截面的直角所在纵向边称为直角边；横截面的斜边所在纵向面称为斜边面；横截面的直边所在纵向面称为直边面；如图1和图2所示，底板棱镜3和顶板棱镜4尺寸相同，其直角边长度为h，横截本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术所述一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置由顶板、底板、底板棱镜、顶板棱镜、转向棱镜、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、细丝、连接柱组成，所述顶板和底板均为矩形刚性平面板，顶板和底板上下相对平行布置，顶板上表面固定；所述底板棱镜和顶板棱镜为全反射棱镜，使竖向入射的激光发生180°逆转，底板棱镜和顶板棱镜分别沿底板和顶板的两个长边呈两行平行布置，每行底板棱镜和顶板棱镜的数量均为n个，顶板棱镜与底板棱镜上下交错相对，使各顶板棱镜间的连接边与其正下方的底板棱镜的直角边在同一个铅垂面内；所述转向棱镜为三个全反射棱镜，使入射的激光发生90°偏转，转向棱镜分别布置在底板后侧左角、顶板前侧右角和顶板后侧右角处；所述激光发射器、激光接收器、激光测距仪布置于底板上表面的前侧左角处；激光发射器发射的激光经底板棱镜和顶板棱镜多次竖向反射并经转向棱镜改变传播方向，形成闭合光路，最终为激光接收器接收，并通过激光测距仪测得整体激光光路的长度。

【技术特征摘要】
1.一种利用全反射棱镜测量细丝微小长度变化的实验装置，该实验装置由顶板、底板、底板棱镜、顶板棱镜、转向棱镜、激光发射器、激光接收器、激光测距仪、细丝、连接柱组成，所述顶板和底板均为矩形刚性平面板，顶板和底板上下相对平行布置，顶板上表面固定；所述底板棱镜和顶板棱镜为全反射棱镜，使竖向入射的激光发生180°逆转，底板棱镜和顶板棱镜分别沿底板和顶板的两个长边呈两行平行布置，每行底板棱镜和顶板棱镜的数量均为n个，顶板棱镜与底板棱镜上下交错相对，使各顶板棱镜间的连接边与其正下方的底板棱镜的直角边在同一个铅垂面内；所述转向棱镜为三个全反射棱镜，使入射的激光发生90°偏转，转向棱镜分别布置在底板后侧左角、顶板前侧右角和顶板后侧右角处；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘相梅，
申请(专利权)人：齐齐哈尔大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23