12210

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОЗРАЧНЫХ ТЕЛАХ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ

Лабораторная работа

Физика

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОЗРАЧНЫХ ТЕЛАХ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ Методические указания по выполнению лабораторной работы № 94 по курсу Физика для студентов инженернотехнических специальностей Курск 2010 У...

Русский

2013-04-24

437 KB

13 чел.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В

ПРОЗРАЧНЫХ ТЕЛАХ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ

Методические  указания по выполнению лабораторной работы

№ 94 по курсу  «Физика» для студентов инженерно-технических

специальностей

Курск 2010

УДК 53

Составители: Л.А. Желанова, А.А. Родионов

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики

Т.И. Аксенова

Определение механических напряжений в прозрачных телах методом фотоупругости: методические указания по выполнению лабораторной работы № 94 по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / Курск, гос. техн. ун-т; сост.: Л.А. Желанова, А.А. Родионов. Курск, 2010. 7 с. Библи-огр.: с.7.

Содержат сведения по изучению строения микроскопа и измерению показателя преломления стекол с помощью микроскопа.

Предназначены        для        студентов        инженерно-технических специальностей дневной и заочной форм обучения.

Текст печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 3,13. Уч.-изд.л. 3,37. Тираж 100 экз. Заказ. Бесплатно.

Курский государственный технический университет. Издательско-полиграфический центр Курского государственного технического университета. 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Цель работы: научиться, используя законы наведенной оптической анизотропии рассчитывать механические напряжения и их распределение в прозрачных телах.

Оборудование: полярископ,  набор образцов из плексиглаза.

Введение

Оптический метод исследования напряжений основан на явлении интерференции поляризованных лучей. Сущность его заключается в том, что некоторые изотропные прозрачные вещества (стекло, целлулоид, плексиглаз) под действием механических напряжений становятся анизотропными, т.е. приобретают свойства двупреломляющих кристаллов.  Схема для изучения такой искусственной анизотропии изображена на рис.1.

 Рис.1

Здесь S - источник света; П – поляризатор;

А – анализатор; T - тело, деформируемое силой F;

ОП ОП`  - главное направление поляризатора; ОА ОА` - главное направление анализатора.

Экспериментально установлено, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей no - ne, возникшая в деформируемом образце является мерой возникшей анизотропии и пропорциональна давлению Р :

no - ne = kP       (1)

где  k  — коэффициент, характеризующий упругие свойства, подвергнутому механическому воздействию, называется константой фотоупругости.

Разность хода, приобретаемая лучами

δ = (no - ne) d     (2)

где d  - толщина образца. Из соотношений (1) и (2) получаем:

δ = kPd       (3)

Соотношение (3) называют законом фотоупругости.

Обыкновенный и необыкновенный лучи, появившиеся в результате механической деформации образца Т, поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях (1 и 2 , рис.1). Анализатор пропускает только составляющие E1A  и  E2A,  параллельные главному направлению анализатора. Так как обыкновенный и необыкновенный лучи являются когерентными, а анализатор пропускает колебания векторов  и  , совершающиеся в одной плоскости, то вышедшие из анализатора лучи интерферирует. При этом возникает картина в виде цветных полос (при использовании белого света), по характеру которой можно судить о распределении напряжений внутри прозрачного тела. Каждая цветная полоса (изохрома) есть полоса равного напряженного состояния. Оптический метод исследования напряжений находит широкое применение в промышленности для исследования напряжений в сложных конструкциях и из непрозрачного материала. Для этого из прозрачного вещества изготавливает уменьшенную модель изучаемой конструкции и на этой модели исследуют характер и распределение напряжений.

Общую картину распределения напряжений в теле можно составить только для главных напряжений.

Если к образцу приложить усилие в какой-то точке (рис.2), то при постепенном увеличении силы    , мы будем видеть, как в каждой точке интерференционной картины будут последовательно сменяться цвета, а число полос будет увеличиваться. Смену цветов можно объяснить, если учесть соотношение (3) и то, что величина разности хода, удовлетворяющая условию максимума, зависит от

                Рис. 2       длины волны.

Считают, что I зеленый цвет завершает смену цветов одного цикла, второй зеленый - смену цветов второго цикла и т.д. Следовательно, порядок полосы зеленого цвета может быть использован для определения величины напряжения. Напряжение, вызывающее зеленую окраску любого порядка прямо пропорционально второму порядку. Используя шкалу цветов для данного вещества (рис. 3), и определив порядок зеленой полосы изохроматической картины,  можно определить напряжение, соответствующее данной полосе.

 Порядок полосы надо отсчитывать от места с минимальным напряжением.  То место модели, в которон полоса зеленого цвета появится позже (при постепенном увеличении силы , рис. 2) и будет местом с минимальным напряжением.

           Рис. 3

Устройство и принцип действия прибора

В качестве поляризованной установки используется полярископ.  Его оптическая схема представлена на рис.4. Пучок света от источника 1, пройдя конденсор 3, зеркало 4 и поляризатор 5, выходит из последнего плоско-поляризованным. Затем, пройдя кварцевую пластинку 6, линзы 7, листовое стекло 8, свет попадает на образец из прозрачного вещества, помечаемый между матовым стеклом и нанализатором 9. В образце поляризованный свет испытывает двойное лучепреломление.  Плоскости колебаний вектора обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно перпендикулярны и сдвинуты по фазе на большую или меньшую величину в зависимости от напряжения и пути луча в образце. Анализатор приводит колебания вектора   обеих лучей в одну плоскость,  в результате  чего   происходит интерференция  

              Рис. 4      лучей. Наблюдатель через анализатор видит картину характерную для того или иного напряжения. Так как разность хода,  даваемая испытуемым образцом невелика, используется кварцевая пластинка 6. Ока увеличивает разность хода обеих лучей. Без кварцевой пластинки чувствительность полярископа ниже и при малых деформациях образца наблюдается только большее или меньшее просветление наблюдаемого поля зрения.

Порядок выполнения работы

1.  Образец I ставят в зажим для сжатия, слегка зажимают и приводят в поле зрения под анализатором.

2.  Включают лампу осветителя нажатием кнопки на столике полярископа.

3.  Вращая зажим с образцом вокруг вертикальной оси, находят положение, при котором получается наиболее яркая картина в поле зрения.

4.  Увеличивая сжатие,  наблюдают за изменением картины полос. При появлении 3-й зеленой полосы прекращают увеличение сжатия.

5.  Определяют порядок зеленой полосы и напряжение, соответствующее каждой зеленой полосе  (по шкале цветов).

6.  Зарисовывают интерференционную (изохроматическую) картину цветными карандашами.

7.  Ставят в зажим образцы 2, затем 3 и, наблюдая изохромы, повторяют пункты 3, 4, 5 и 6.

Контрольные вопросы:

  1.  Двойное лучепреломление.
  2.  Поляризация света. Поляризатор и анализатор.
  3.  Искусственная анизотропия.
  4.  Интерференция поляризованных лучей.
  5.  Закон фотоупругости и его использование для изучения механических напряжений.
  6.  Устройство и принцип действия полярископа.

Библиографический список

1. Савельев И. В. Курс физики [Текст] : учебное пособие : в 3 т. Т. 2 : Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика / И. В. Савельев. - 3-е изд., стер. - СПб. : Лань, 2007. - 480 с.;

2. Трофимова Т. И. Курс физики [Текст] : учебное пособие / Т. И. Трофимова. - 7-е изд., стер. - М. : Высшая школа, 2003. – 542


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2348. Формування модерної української нації. Теорія та суспільні виклики першої половини XIX ст 37.5 KB
  Мета: провести підсумкове оцінювання знань як кінцевий етап оцінювання знань з тем Вступ. Формування модерної української нації. Теорія та суспільні виклики першої половини XIX ст., Українські землі у складі Російської та Австрійської імперій наприкінці XVIII – у першій третині XIX ст., оцінити рівень навчальних досягнень учнів та перевірити уміння застосовувати нубуті знання.
2349. Історія України у визначеннях, таблицях і схемах 7-9 класи 44.9 MB
  Київська Русь та Галицько-Волинська держава. Національно-визвольна війна та відродження Української держави. Наддніпрянська Україна в другій половині ХІХ століття. Культура України другої половині ХІХ століття.
2350. Усі уроки до курсу Всесвітня історія 9 клас 1.04 MB
  Вікторіанська Британія. Велика Французька революція кінця ХVIII ст. Франція під владою Наполеона. Модернізація Японії. Велика Британія в останній третині ХІХ ст. Завершення територіального поділу світу. Культура народів світу наприкінці ХVІІІ — у ХІХ ст.
2351. Сільське господарство та аграрні відносини на українських землях 33.5 KB
  Мета: показати процес занепаду кріпосницьких та зародження ринкових відносин в Україні у першій половині XIX ст., довести, що російський царизм намагався зміцнити феодально-кріпосницьку систему господарювання в Україні, ознайомити учнів із процесом визрівання ознак ринкової економіки в сільському господарстві, промисловості, торгівлі України.
2352. Початок промислової революції 59 KB
  Мета: дослідити занепад кріпосницьких та зародження ринкових вілносин в Україні в першій половині XIX ст., ознайомити учнів із процесом визрівання ознак ринкової економіки в промисловості, торгівлі.
2353. Повсякденне життя українців у селі та місті. 19.07 KB
  Мета: сформувати в учнів уявлення про повсякденне життя українських селян та міщан у першій половині XIX ст. Розпорядок робочого дня українських селян.
2354. Соціально-економічне становище українського населення під владою Австрійської та Російської імперій і соціальні рухи 41 KB
  Мета: проаналізувати причини розгортання селянського руху, розкрити хід і наслідки соціальної боротьби в Україні в першій половині XIX ст., довести, що колонізаторська політика Російської та Австрійської імперій на українських землях призвела до посилення національного та соціального гніту, з’ясувати форми й характер протесту українського населення.
2355. Утворення Кирило-Мефодіївського братства. 38 KB
  Мета: ознайомити учнів із процесом розвитку національної ідеї в суспільно-політичному русі України першої половини XIX ст., діяльністю першої української політичної нелегальної організації – Кирило-Мефодіївське братство, проаналізувати діяльність Т.Г. Шевченка, як суспільно-політичного діяча та його участь у братстві; проаналізувати програмні документи братства, розкрити значення діяльності кирило-мефодіївців у розвитку українського національного руху.
2356. Національно-визвольний рух на західноукраїнських землях під час революції 1848-1849 рр. в Австрійській імперії 42 KB
  Мета: з’ясувати причини розгортання революції 1848-1849 рр. на західноукраїнських землях; показати роль Головної руської ради в розгортанні українського національно-визвольного руху.