測量彈性極小形變高精度儀器的製作方法

2023-12-10 10:56:12 2

技術領域：本發明屬教學專用器材，特別是彈性微小形變放大、測量的專用器材。

背景技術：
：目前在教學領域、要看到桌面發生彈性微小形變所能用到的器材就是圖1注1，其演示效果是定性演示而不是量化演示、更不是高精度測量。圖1顯示微小形變裝置的放大效果是怎樣產生的，書中是這樣解釋的「由於兩面鏡子之間的距離較大，光點會在刻度尺上有明顯的移動，把桌面的形變顯示出來注2」這不是確切的解釋和理論的說明注3。用公式δx＝(r/θnr)δy注4分析圖1的相關量是，兩面鏡子距離越大放大效果越小、兩面鏡子距離越小放大效果越大注5，這與書中的解釋相反；書中也沒給出裝置的性能參數，圖1放大倍數(r/θnr)≤200-400倍、微小形變的δx≥10-2毫米而小於這個參數的形變將不能被顯示。即使圖1編輯者也沒有意識到與理解到，放大微小形變的確切原因是什麼，這是非顯而易見的現有技術及現有技術應用情況、這是被最普遍忽視的內在邏輯性教學的偏見至今已32年了注6。

技術實現要素：
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(1).要解決的技術問題：圖1放大原理是怎樣發生的，圖2高精度測量在技術上的實現。用公式δx＝(r/θnr)δy分析圖1放大原理：是每一平面鏡反射光束中有二倍角增減量的變化規律注7引起的放大效果，二倍角增減量是每一平面鏡一次反射光束、一次2倍角放大的一次發生，兩面鏡子的兩次反射其放大倍數就是6倍。圖2是在二倍角放大的基礎上應用函數θn＝2n+1-2注8變化規律，以其θn＝2n+1-2注8的倍數增大，這是二倍角增減量按函數θn＝2n+1-2注8變化的規律，將這一規律應用到本儀器的放大技術。

(2).技術方案：在測量彈性極小形變高精度儀器，應用光的反射定律中2倍角增減量的變化規律的反射鏡，其特徵是反射鏡的2倍角增減量的變化規律遵循函數θn＝2n+1-2注8的規律變化的技術方案，函數中n表示反射鏡的個數、反射光線的次數、放大二倍角的次數，每一平面鏡可以水平方向為軸和垂直方向為軸的兩個方向調節，使之具有反射光束指向功能，根據精度的需要反射鏡數量可取n＝3、4、5、…個。圖2結構、平面鏡a固定在小框b內、小框和中框c以豎直軸連接，在大框f內有4個中框c或d，在大框和中框以橫軸連接，在中框上邊豎直軸連接中處固定頂針圖3調節平面鏡以豎直軸轉動的角度，在大框和中框的橫軸連接處的大框邊中固定頂針圖3調節平面鏡以橫軸轉動的角度。大框上、下的距邊1釐米處各有兩個孔直徑6毫米為f之間的組合穿接金屬杆之用增f或減f。圖9是一個透鏡其上有毫米刻度、其邊有四框、四框有底座圖12支撐、在四框左右的邊處各有一個高亮二極體發射藍光來標註光點位移。圖2由2個反射面構成、每一個面由1個或n個f串接組成、從一組至n組是根據放大倍數和精度的需要串接f的組數。

儀器測量要用公式計算：δx＝(r/θnr)δy、當r＝r時、r/r＝1公式簡化為δx＝(1/θn)δy這時要把帶有刻度尺的透鏡移到與最後一次反射鏡的距離和小r一樣的距離等長位置、使得r＝r，此時只要讀出透鏡上光點位移間距δy、即兩條藍光的間距是多少毫米、即可知到被測δx數值。儀器測量精度在10-3至10-10毫米或更為極小變化量均可測量，把微米、納米、皮米級及以下的變化量精準的測量出來。

(3).有益效果：相比圖1和圖2相對桌面形變θ角放大參數，圖1是根據函數θn＝2n+1-2即當n＝2、θ2＝22+1-2＝6倍，圖2是根據函數θn＝2n+1-2即當n＝32、θ32＝232+1-2＝8589934590倍。

附圖說明：

1頁、圖1：現有教學使用的顯示微小型變的裝置.

2頁、圖2：測量彈性極小形變高精度儀器測量示意圖.

3頁、圖3：是調節平面鏡以水平方向為軸和垂直方向為軸的兩個方向角度的頂針；(1)帶彈簧的自動頂針、(2)手動螺紋頂針.

4頁、圖4：反射面由16面反射鏡即由四組f大框串接組成.

5頁、圖5：是圖4右上角的放大圖.

6頁、圖6：a平面鏡、用a表示、b小框、c中框、d是a、b、c的組合圖、e或f大框由4個d或c構成、圖6中1、2、3為b、c、d的俯視圖、圖6中4、為e側視圖、圖6中f是a、b、c、d、e、的組合構成大框.

7頁、圖7是圖6的部分放大圖.

8頁、圖8：是反射面圖4的短底座.

9頁、圖9是帶有毫米刻度的透鏡即顯示光點的裝置，其邊有四框、在四框左右的邊處、各有一個高亮二極體發射藍光來標註光點位移間距的旋鈕.

10頁、圖10是圖9的俯視圖的放大圖.

11頁、圖11是圖9的側視圖的放大圖.

12頁、圖12長底座，是圖9的底座.

具體實施方式：圖2由2個反射面構成、每一個面由多個f串接組成、從一組f至多組是根據放大倍數和精度的需要，串接f的組數。

例如1：取n＝10塊鏡片，根據函數θn＝2n+1-2有、θ10＝210+1-2＝2046數值，即θ10＝2046，則桌面微小形變θ角放大倍數就是2046倍。

例如2：取n＝20塊鏡片，根據函數θn＝2n+1-2有、θ20＝220+1-2＝2097150數值，即θ20＝2097150，則桌面微小形變θ角放大倍數就是2097150倍。

例如3：取n＝30塊鏡片，根據函數θn＝2n+1-2有、θ30＝230+1-2＝2147483646數值，即θ30＝2147483646，則桌面微小形變θ角放大倍數就是2147483646倍。

附錄

注1：全日制普通高級中學教科書(必修)高中物理第一冊是(人民教育出版社出版2003年6月第1版，2004年6月黑龍江第二次印刷)圖1在第6頁(圖1-10).

注2：和注1同在6頁(圖1-10)實驗解釋、全文引證：「圖1-10是一種顯示微小形變的裝置，它可以把微小形變放大到可以直接看出來.在一張大桌子上放兩個平面鏡m和n，讓一束光依次被這兩面鏡子反射，最後射到一個刻度尺上，形成一個光點.用力壓桌面，鏡子要向箭頭所示的方向傾斜.由於兩面鏡子之間的距離較大，光點會在刻度尺上有明顯的移動，把桌面的形變顯示出來」.

注3：圖1把微小形變放大的原因是θnr確定的、r與二倍角二次增量θn＝2n+1-2的乘積，並不是r引起的即書中所述：兩面鏡子之間距離較大的原因.

注4：是本人推導出的公式、用公式能準確分析圖1和圖2的變化特徵.

測量計算公式：δx＝(r/θnr)δy

公式中δx：表示桌面的微小變化量

δy：對圖1是刻度尺上光點的位移；對圖2是帶有毫米刻度尺的透鏡上光點的位移及、即兩條藍光的間距。

r：對圖1是兩個平面鏡距離的一半長度；對圖2是兩個16塊平面鏡構成的反射面之間的距離一半長度。

r：對圖1是第二個平面鏡到刻度尺的距離的長度；對圖2是最後一次反射光束的平面鏡到帶有毫米刻度尺顯示光點的透鏡的距離的長度。

θn：是函數θn＝2n+1-2的函數值即平面鏡第n次反射角偏轉量且相對桌面形變θ角的放大倍數、這也是測量儀器的放大參數、測量儀器的通項公式，2是每一平面鏡一次反射光束中的2倍角的增減量，2n+1表示第n+1面平面鏡反射光線偏轉角的2倍角增減量的變化遵循指數函數θ(n)＝2n的規律變化的量。

注5：測量計算公式：δx＝(r/θnr)δy將公式變形可看到：δx/δy＝r/θnr有r與δy反比關係即兩面鏡子距離越大放大效果越小，又有δx與θnr反比關係即放大倍數越大越能顯示微小形變，θn＝6是不變的、當桌面形變小於百分之一毫米、就要增大r否則就不能看到桌面形變.

注6：高級中學課本(試用)物理(甲種本)第一冊人民教育出版社出版，1983年11月第1版，黑龍江人民出版社重印，1985年4月第2次印刷，圖1在14頁.

注7：光的反射定律中二倍角增減量的變化規律：是光的入射角增大或減小一個角度單位則入射角和反射角之和就增大或減少兩個角度單位的變化規律。

注8：函數θn＝2n+1-2為通項公式，是測量桌面極小形變前已知的放大參數、函數θn＝2n+1-2中的、θn、2、2n+1、分別表示第n面平面鏡反射光線偏轉角相對桌面極小形變θ角的倍數、2是每一平面鏡一次反射光束中的2倍角的增減量、2n+1表示第n+1面平面鏡反射光線偏轉角的2倍角增減量遵循指數函數θ(n)＝2n的規律變化的量。