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光杠杆是一种精密的光学测量装置,它巧妙地利用光的反射定律,将微小的角度偏转放大成在远处标尺上的较大线性位移。光杠杆主要由光源、固定在被测物体上的小平面镜和远处带有刻度的标尺组成。
当被测物体发生微小的角度偏转θ时,固定在其上的小平面镜也随之转动相同的角度θ。根据光的反射定律,当镜面转动角度θ时,反射光线的方向会偏转2θ,这样就实现了角度的2倍放大效应。
反射光线投射到距离镜面L的标尺上形成光斑。由于反射光线偏转了2θ,光斑移动距离D等于L乘以tan(2θ)。当角度θ很小时,tan(2θ)近似等于2θ,因此D约等于2Lθ。这样就实现了2L倍的线性放大。
现在我们来演示不同距离下的放大效应。当镜面到标尺的距离L为1米时,放大倍数为2倍;当L增加到2米时,放大倍数变为4倍;当L为3米时,放大倍数达到6倍。可以看出,距离越远,放大效果越明显,这就是光杠杆实现高灵敏度测量的关键原理。
光杠杆广泛应用于测量微小位移和形变、检测振动、精密角度测量以及材料力学性能测试等领域。它具有高灵敏度、结构简单、成本低、非接触式测量和实时动态监测等优势。通过合理选择镜面到标尺的距离,光杠杆可以实现微米级的测量精度,是精密测量中不可或缺的重要工具。