用大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)邁克爾遜干涉儀測定金屬絲的楊氏模量

評分：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)題目：用邁克爾遜干涉儀測定金屬絲的楊氏模量班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：實(shí)驗(yàn)提要實(shí)驗(yàn)課題及任務(wù)《用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量》實(shí)驗(yàn)課題任務(wù)是：利用邁克爾遜干涉儀能精密測量微小變量的特點(diǎn)，測量出鋼絲在拉力作用下的微小伸長量，用特制的測力計(jì)測量拉力大小。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測定鋼絲的楊氏模量。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識，并在圖書館或互聯(lián)網(wǎng)上查找資料，設(shè)計(jì)出《用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量》的整體方案，內(nèi)容包括：寫出實(shí)驗(yàn)原理和理論計(jì)算公式，研究測量方法，寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，然后根據(jù)自己設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫出完整的實(shí)驗(yàn)報告，也可按書寫科學(xué)論文的格式書寫實(shí)驗(yàn)報告。設(shè)計(jì)要求⑴通過查找資料，并到實(shí)驗(yàn)室了解所用儀器的實(shí)物以及閱讀儀器使用說明書，了解儀器的使用方法，找出所要測量的物理量，并推導(dǎo)出計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上寫出該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理。⑵根據(jù)實(shí)驗(yàn)用的測量儀器，設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，要具有可操作性。⑶用最小二乘法求出楊氏模量。⑷實(shí)驗(yàn)結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。實(shí)驗(yàn)儀器邁克爾遜干涉儀、測力計(jì)、激光器。學(xué)時分配教師指導(dǎo)(開放實(shí)驗(yàn)室)和開題報告1學(xué)時；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收，在4學(xué)時內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)；提交整體設(shè)計(jì)方案時間學(xué)生自選題后2~3周內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)方案并提交。提交整體設(shè)計(jì)方案，要求用紙質(zhì)版(電子版用電子郵件發(fā)送到指導(dǎo)教師的電子郵箱里)供教師修改。參考文獻(xiàn)⑴金正宇一個經(jīng)典力學(xué)實(shí)驗(yàn)測量方法的改進(jìn)——霍爾傳感器測楊氏模量[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2000⑵吳立峰、楊廣華基于ＰＳＤ位置傳感器的楊氏模量測量[J]五邑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004⑶陳水波、樂雄軍測量楊氏模量的智能光電系統(tǒng)[J]物理實(shí)驗(yàn),2001⑷張幫利用邁克耳孫干涉原理測楊氏模量[J]大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)2007原始數(shù)據(jù)記錄：同組者：實(shí)驗(yàn)臺號：金屬絲長度L=25.16cm激光波長λ=632.8nm條紋間隔N=20d12345平均值d/10-4m測量次數(shù)12345678F/N2指導(dǎo)教師（簽名）：用邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的楊氏模量實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.了解邁克耳孫干涉儀的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法。2.觀察定域干涉條紋，觀察等傾干涉現(xiàn)象，并增強(qiáng)對條紋可見度和時間相干性的認(rèn)識和理解。3.加深對楊氏模量的了解認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)儀器：邁克耳孫干涉儀；激光器；待測金屬絲為碳鋼絲；；鋼尺；千分尺；測力裝置；電源。實(shí)驗(yàn)原理：邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖所示。⑨和⑩分別為分束鏡和補(bǔ)償鏡，兩鏡為平行玻璃板，在分束鏡的一個表面鍍有半反射金屬膜。⑧、⑥為互相垂直的平面鏡,、與、均成450角。⑨和⑩分別為分束鏡Ａ和補(bǔ)償鏡Ｂ。邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖一個機(jī)械臺面④固定在較重的鑄鐵底座②上，底座上有三個調(diào)節(jié)螺釘①，用來調(diào)節(jié)臺面的水平。在臺面上裝有螺距為1毫米的精密絲杠③，絲杠的一端與齒輪系統(tǒng)eq\o\ac(○,12)相連接，轉(zhuǎn)動手輪eq\o\ac(○,13)或微動鼓輪eq\o\ac(○,15)都可使絲杠轉(zhuǎn)動，從而使騎在絲杠上的反射鏡⑥沿導(dǎo)軌移動。鏡移動的位置及移動的距離可從裝在臺面④一側(cè)的毫米標(biāo)尺、讀數(shù)窗eq\o\ac(○,11)及微動鼓輪eq\o\ac(○,15)上讀出。手輪eq\o\ac(○,13)分為100分格，它每轉(zhuǎn)過1分格，鏡就平移1/100毫米（由讀數(shù)窗讀出）。微動鼓輪eq\o\ac(○,15)分為100格，每轉(zhuǎn)一周手輪隨之轉(zhuǎn)過1分格。因此微動鼓輪轉(zhuǎn)過1格，鏡平移毫米，這樣，最小讀數(shù)可估計(jì)到毫米。于是，反射鏡在某種狀態(tài)下的坐標(biāo)為式中、和分別為毫米標(biāo)尺、手輪和微動鼓輪的讀數(shù)（其中輪和微動鼓輪的讀數(shù)為格數(shù)）。鏡⑧是固定在鏡臺上的。、兩鏡的后面各有三個螺釘⑦，可調(diào)節(jié)鏡面的傾斜度。鏡臺下面還有一個水平方向的拉簧螺絲eq\o\ac(○,14)和一個垂直方向的拉簧螺絲eq\o\ac(○,16)，其松緊使產(chǎn)生一極小的形變，從而可對鏡傾斜度作更精細(xì)的調(diào)節(jié)。邁克爾遜干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生雙光束以實(shí)現(xiàn)干涉。通過調(diào)整該干涉儀，可以產(chǎn)生等厚干涉條紋，也可以產(chǎn)生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為λ/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變λ/2。圖1在彈性限度內(nèi)，金屬絲的楊氏模量可表示為 (1)其中L及S為金屬絲的原長及截面積；F為在伸長方向上的拉力；QUOTEL為金屬絲伸長量。由于QUOTE很小，用普通測量長度的儀器很難精確測量。如圖2所示:圖2轉(zhuǎn)動手輪，測力探頭隨著移動，同時，連接測力探頭的待測鋼絲就會受到力的作用，從力處理裝置可得到力F的大?。↙和S可通過鋼卷尺和千分尺測得），同時，在轉(zhuǎn)動手輪的時候，M2隨待測鋼絲形變一齊移動，此移動的距離很小，肉眼難以觀察，可通過光屏上干涉條紋的吞進(jìn)（或冒出）數(shù)N求得，記錄N的數(shù)目，由公式EQ(2)將式(2)代入式(1),有(3)這里,S=QUOTE,d為金屬絲直徑；F為每次吞進(jìn)（或冒出）條紋數(shù)N時力的大小，L為金屬絲是長度，N為每次吞進(jìn)（或冒出）的條紋數(shù)，取其為一定值。代入(3)式,得(4)式(4)即為測量楊氏模量公式.轉(zhuǎn)動手輪，使其每次出現(xiàn)條紋數(shù)變化為同一值N，讀取并記錄數(shù)據(jù)此時測力裝置上的力F的大小。連續(xù)取8個數(shù)據(jù)（F1...F8）,并記錄在表格中，最小二乘法處理數(shù)據(jù)。計(jì)算測量結(jié)果，并寫出結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)步驟:（1）測出金屬絲的長L，在金屬絲的五個不同位置測出直徑d，記錄下來。（2）按圖連接好實(shí)驗(yàn)裝置，接通電源。（3）調(diào)節(jié)好邁克爾遜干涉儀,使在屏上出現(xiàn)清晰的等傾干涉條紋。（4）調(diào)節(jié)手輪，使力處理裝置在一個初始讀數(shù)F,并記錄此數(shù)據(jù)F的大小。（5）繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，使光屏上每次出現(xiàn)相同的條紋N，讀取并記下力大小F，連續(xù)取8個數(shù)據(jù)（F1...F8），再通過公式求E。（6）用最小二乘法求出楊氏模量,并用不確定度形式表示結(jié)果。注意事項(xiàng)：邁克爾遜干涉儀在讀數(shù)與測量時要注意以下兩點(diǎn)：1．在讀數(shù)前先調(diào)整零點(diǎn)，方法如下：將微動鼓輪eq\o\ac(○,15)沿某一方向（例如順利針方向）旋轉(zhuǎn)至零，然后以同方向轉(zhuǎn)動手輪eq\o\ac(○,13)使之對齊某一刻度，這一步稱之為“校零”。此后，測量時只能仍以同方向轉(zhuǎn)動微動鼓輪使Ｃ鏡移動（測量不允許直接轉(zhuǎn)動手輪），這樣才能使手輪與微動鼓輪二者讀數(shù)相互配合。2．調(diào)整零點(diǎn)時，要注意轉(zhuǎn)動微動鼓輪時，在讀數(shù)窗口中可看到手輪度盤的變化，否則應(yīng)使兩者的齒輪系統(tǒng)齒合。測量時，為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，必須避免引入空程，也就是說，在調(diào)整好零點(diǎn)后，應(yīng)使微動鼓輪按原方向轉(zhuǎn)幾圈（要回到零刻度絲上），直到干涉條紋開始移動以后，才可開始讀數(shù)測量。3.儀器的傳動機(jī)構(gòu)是相當(dāng)精密的，使用時動作要輕緩小心。4.轉(zhuǎn)動手輪時，應(yīng)該注意不能轉(zhuǎn)動過大角度，否則很容易使鋼絲遭到破壞。思考題：1．在F增加時，等傾干涉同心圓條紋是“冒