Задание 1. Измерение малых деформаций

При действии на тело внешней деформирующей силы расстояние между взаимодействующими частицами (атомами, ионами) изменяется. Это приводит к возникновению внутренних сил упругости, стремящихся вернуть эти частицы в первоначальное положение и уравновешивающих внешние силы. Мерой этих сил является механическое напряжение (или просто напряжение ):

, (8)

где F_упр – сила упругости; S – поперечное сечение образца. Единицей измерения механического напряжения в СИ является [Н/м²].

Другой характеристикой деформации является относительная деформация (или относительное удлинение):

, (9)

где X – первоначальное значение длины образца; Δ X – изменение длины образца при деформации. Относительная деформация ε – величина безразмерная.

Для малых упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому напряжение пропорционально относительной деформации

, (10)

где E – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом упругости (или модуль Юнга). Модуль Юнга (E) в СИ измеряется в [Н/м²].

Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества и зависит от его природы. Физический смысл модуля Юнга заключается в том, что модуль Юнга (E) есть величина, численно равная механическому напряжению , возникающему при относительной деформации e, равной единице.

Интерферометрический метод определения деформации заключается в следующем. Если к середине опорной пластины интерферометра приложить вертикальную силу F (рис.4), то пластина прогнётся, причем угол , на который отклоняются её концы, определяется силой F, расстоянием L между опорами, шириной b и толщиной, а пластины, а также модулем Юнга материала пластины:

. (11)

Рис.4.

Кронштейны с зеркалами отклоняются на тот же угол. При этом расстояние между верхними зеркалами станет меньше расстояния между нижними на величину . Это приводит к смещению интерференцион­ной картины на количество полос равное

. (12)

Измерив k, можно определить деформацию пластины и модуль Юнга ее материала.

В установке h = 80 мм, L= 250 мм, поперечные размеры пластины

b = 80 мм, а = 9, 0 мм.

Порядок выполнения работы:

1.Перед включением оптического комплекса ЛКО-4 ручку регулятора «ток» лазера (2) на панели комплекса (рис.2) выведите в крайнее левое положение. Затем вилку шнура питания комплекса ЛКО-4 вставьте в сетевую розетку. Поворотом ручки регулятора «ток» лазера вправо получите на экране 7 (рис.2), отчетливую интерференционную картину, состоящую из 8-10 полос.

2.Если интерференционная картина нечеткая, то подстройте ее с помощью зеркала С (рис.3): густота линий регулируется правым винтом зеркала, а наклон левым (эту операцию проводит преподаватель или инженер).

3.Установите в кронштейн поворотного столика 4 (рис.3) рамку с полкой для гирь.

4.Убедитесь, что при легком нажатии пальцем на полку картина смещается.

5.Поместите на рамку с полкой груз весом 400 граммов (8 дисков по 50 г каждый).

6.Закрепите на экран 7 комплекса ЛКО-4 (рис.2) листок бумаги и проведите на нём линию, перпендикулярную полосам, по которой будите отмечать смещение полос.

7.Рассчитайте ширину интерференционной полосы Δ X. Для этого отметьте положение крайних, хорошо различимых полос, и определите количество полос, находящихся между этими отметками. Измерьте расстояние между отметками линейкой. Расстояние между отметками, деленное на число полос, дает ширину полосы Δ X.

8.Для регистрации смещения интерференционной картины выберите одну из крайних правых полос и отметьте ее начальное положение.

9.Аккуратно в сторону (на себя) снимите с полки 2 гири (100 г) и отметьте новое положение полосы.

10.Повторите п. 9.

11.Уберите с полки 1 гирю (50 г) и отметьте новое положение полосы.

12.Повторяйте п. 12 до полной разгрузки полки.

13.Для каждой нагрузки определите смещение полосы () в миллимет­рах, измеряя его от начального положения. Определите порядок ин­терференции (k). Для этого разделите смещение () на ширину интерфе­ренционной полосы (Δ X). Результаты занесите в таблицу 1.

14.Постройте график зависимости порядка интерференционной полосы от прилагаемой силы k = f (F).