[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明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°。本发明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。

发明内容

本发明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，本发明所述实验装置，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。