幾何光學實驗儀的制作方法
【專利摘要】一種幾何光學實驗儀，包括光源、顯示屏、光學元件、底座。本發(fā)明光學演示儀:柱面透鏡安裝在激光頭前，激光頭軸線與柱面透鏡軸線垂直，激光發(fā)出激光經(jīng)柱面透鏡折射后行成一種扇形平行平面光束作為光源。本發(fā)明顯示屏上的亮線，成為欲顯示光束的射影，顯示屏顯示光路入射角與欲顯示光束的入射角相等。糾正了使用平行平面光束演示時，欲顯示光束的入射角與顯示屏顯示光束的入射角偏差。裝置采用磁鐵吸引鐵產(chǎn)生的摩擦力穩(wěn)定光源，轉(zhuǎn)動光源，改變光路非常方便，顯示屏上的入射亮線在入射顯示屏的二維平面上能夠任意指向。利用各種光路卡片，同一實驗儀能夠演示各種不同的幾何光學實驗。本裝置利用激光，能夠使亮線清晰、明亮，具有很好的觀測性，測量的數(shù)據(jù)準確，精度高。整個裝置具有顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點。
【專利說明】幾何光學實驗儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種幾何光學實驗設(shè)備，具體涉及一種幾何光學實驗儀。
【背景技術(shù)】
[0002]幾何光學實驗，歷來都是物理老師難做的演示實驗。公知的幾何光學實驗儀有很多種，他們大多用平行光束斜射在物體表面，漫反射形成亮線代表光線，顯示的亮線時有時無，極不穩(wěn)定，且實驗裝置結(jié)構(gòu)復雜，操作不便。在物體表面漫反射形成亮線代表光線，不能演示反射光線、折射光線與入射光線共面的問題。實驗時很難在光路面板上顯示亮線，面板與界面難以垂直獲得法線 。
[0003]更為重要的是，這種方法是錯誤的。使用平行平面光束作為光源，旋轉(zhuǎn)顯示屏，平行光束在顯示屏上的漫反射形成亮線。用這根亮線來代表的入射角與真正的平行光束入射角存在偏差。顯示屏上顯示的入射角大于平行光束真正的入射角。這些亮線與光線的方向不一致不能代表光線。
[0004]比如初中物理在做幾何光學實驗時，為驗證反射角等于入射角，傳統(tǒng)的做法，讓一束平行光的一部分光斜射在平面顯示屏E上，形成一條亮線代表“入射光線” I1;另一部分光線射在平面鏡M上，經(jīng)平面鏡反射后，斜射在與E共面的F上，形成一條亮線表示“反射光線”12.來驗證光的反射定律。
[0005]我們來解析這個方法的錯誤的原因:
首先讓一束平行光斜射在平面鏡上，會反射光，我們用L1，L，12三條光線來表示，如圖2所示。
[0006]其次，將演示顯示屏垂直放在鏡面上，移動并轉(zhuǎn)動，使顯示屏上呈現(xiàn)亮線且亮線的一端點與顯示屏上的入射點重合如圖3所示。
[0007]假定顯示屏上的入射亮線與法線的夾角為Z B，入射角為Z A ;顯示屏與與入射光線反射光線所在的平面的夾角為Z C，如圖4所示:
顯然:tanA=QN/0N; tanB=RN/0N ；
則:tanB=RN/QN(tanA)
Pk丄ok，」PKO是直角三角形: seC=P0/K0=RN/QN 故:tanB=secCtanA,
即:Z E^tarT1SecCtanA
顯然: ZC=0，ZB=ZA;
Z C) 0, Z B) Z A
因此，Z C越大，Z B與Z A的偏差也越大,反射亦然。
[0008]我們可以看出，代表入射光線的那條亮線11，與真的入射光線L有一交角，反射光線與反射亮線也有一交角。正是由于交角的存在，使這各演示方法存在錯誤:顯示屏上顯示的入射角，反射角，比真正的入射角，反射角大。顯示屏上的那兩條亮線的方向與真正的入射光線，反射光線的方向不一致，不能代表真正的入射光線，和反射光線。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種顯示屏上顯示的入射角反射角等于光線入射角反射 角，光線顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的幾何光學演示儀。
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種幾何光學實驗儀，包括光源、顯示屏、 光學元件、底座，其特征是光源由激光光源1、圓柱面透鏡9、磁鐵4連接裝置2構(gòu)成，柱面透 鏡9安裝在激光光源I前，激光頭軸線與柱面透鏡軸線垂直；所述顯示屏由顯示屏底板3、 實驗卡片7構(gòu)成。顯示屏底板由二塊長方形鐵片構(gòu)成，并通過鉸鏈6連接，在與底座豎立方 向上可自由轉(zhuǎn)動。顯示屏底板兩端各帶有一只與顯示屏板垂直的底腳；實驗卡片7由畫有 光路圖的顯示光的直線傳播、光的反射、光的折射等光路圖的卡片構(gòu)成。實驗卡片緊貼在 顯示屏底板上。所述底座由底板5與活動卡槽板10構(gòu)成，卡槽板固定在底板上，卡槽板10 可在沿底板水平方向上自由移動，卡槽開口垂直向上。所述平面鏡8安放在底板5上，所 述光源吸附在顯示屏上，顯示屏豎直安放在底座上。所述卡槽板包括卡槽板(101)、(102)、 (103)，卡槽板(101)、( 103)固定在底板上，卡槽板(102)可在沿底板水平方向上自由移動， 卡槽板接觸面表面平整且垂直于底板。
[0011]本發(fā)明利用幾何光學實驗原理:
讓光束平面與顯示屏平面垂直相截，且欲演示的光線與顯示屏上的亮線平行。那么顯 示屏上的亮線是演示光線的射影，其幾何性質(zhì)與演示光線相同。
[0012]本發(fā)明光學演示儀柱面透鏡9安裝在激光頭I前,激光頭軸線與柱面透鏡軸線垂 直，激光頭發(fā)出激光經(jīng)柱面透鏡軸后形成一種扇形平行平面光束作為光源(光束平面為扇 形，光束面間相互平行)。
[0013]使用時，將底板放在水平桌面上，將顯示顯示屏垂直放在底板上。然后將光源吸附 在顯示顯示屏上。啟動激光光源，獲得扇形平面光束。轉(zhuǎn)動光源，使扇形平面光束與顯示屏 垂直，其顯示屏上的亮線的一端是入射點，轉(zhuǎn)動鉸鏈右邊顯示屏驗證三線共面。然后將演示 的幾何光學卡片、顯示顯示屏插入卡槽中，移動卡槽板10卡緊。就能使用激光束在顯示屏 上顯不出光的直接傳播、反射、折射光路，演不光的傳播規(guī)律。
[0014]如要演示光的反射如圖5、圖6,將演示顯示屏3垂直放在底座上,在底座上放上平 面鏡8，移動并轉(zhuǎn)動扇形平面光束，使顯示屏上呈現(xiàn)入射亮線11，且亮線的一端點與顯示屏 上的入射點重合；轉(zhuǎn)動激光電筒，使得扇形平行平面光束，與顯示屏面垂直。則:入射亮線 11是入射光線12的射影；反射亮線13是反射光線14的射影。
[0015]本發(fā)明演示裝置，顯示屏上的那兩條亮線，一條與真正的入射光線平行，共面，且 入射光束面與顯示屏垂直；另一條與反射光線平行，共面，且反射光束面與顯示屏垂直。使 得顯示屏上與入射光線共面的那條亮線，是入射光線的射影；反射光線共面的那條亮線是 反射光線的射影。
[0016]因此，代表入射光線，反射光線的那兩條亮線的方向，與入射光線和反射光線的方 向一致；兩條亮線與法線的夾角，與入射角和反射角相等Z 1= Z 2。因此:顯示屏上的入射 亮線與反射亮線表征了入射光線與反射光線在三維空間中分布相同的幾何性質(zhì)。正確地顯 示了光的反射規(guī)律(光的折射亦然)。這正是幾何光學實驗的物理機理。[0017]本發(fā)明利用柱面透鏡將平行激光束折射成平行扇形平面光束，由于演示入射光線是扇形平面光束，一部分光束在不經(jīng)過轉(zhuǎn)動顯示屏下可直接照射在顯示屏上，形成演示亮線，另一部分光束代表入射光線，這些光線中有一條光線L如圖所示是平行于顯示屏的。而傳統(tǒng)演示方法中平行光束轉(zhuǎn)動顯示屏得到的顯示屏上的亮線，沒有一條光線是平行于顯示屏的。本發(fā)明演示方法顯示屏上的那兩條亮線，固然也不是真正的入射光線和反射光線:我們看到的是入射光線，與反射光線在顯示屏上的射影——兩條亮線，但它們彰顯了光在自由空間運動的幾何性質(zhì)。
[0018]本發(fā)明顯示屏上的亮線，成為欲顯示光束的射影，顯示屏顯示光路入射角與欲顯示光束光束的入射角相等。糾正了使用平行平面光束演示時，欲顯示光束光束的入射角與顯示屏顯示光束的入射角偏差。
[0019]裝置采用磁鐵吸引鐵的摩擦力穩(wěn)定光源，轉(zhuǎn)動光源，改變光路非常方便，顯示屏上的入射亮線在入射顯示屏的二維平面上能夠任意指向。利用各種光路卡片，同一實驗儀能夠靈活演示幾何光學的各種不同實驗。本裝置利用激光，能夠使亮線清晰、明亮，具有很好的觀測性，測量的數(shù)據(jù)準確，精度高。整個裝置具有顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明:
圖1是本發(fā)明幾何光學實驗儀的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2、圖3、是傳統(tǒng)演示方法示意圖
圖4是傳統(tǒng)演示方法幾何模型圖
圖5是、圖6本發(fā)明幾何光學實驗儀光的反射示意圖
圖7是光源不意圖
圖8是光源組件示意圖
圖9是顯示屏示意圖
圖10是底座意圖
圖11、12是實驗卡片示意圖
圖13本演示裝置演示光的反射實物圖
圖14本演示裝置演示光直線傳播實物圖。
【具體實施方式】
[0021]一種幾何光學實驗儀，包括光源、顯示屏、光學元件、底座，其特征是光源由激光光源1、圓柱面透鏡9、磁鐵4連接裝置2構(gòu)成，柱面透鏡9安裝在激光頭I前，激光頭軸線與柱面透鏡軸線垂直；所述顯示屏由顯示屏底板3、實驗卡片7構(gòu)成。顯示屏底板由二塊長方形鐵片構(gòu)成，并通過鉸鏈6連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動。顯示屏底板各帶有一只與顯示屏板垂直的底腳；實驗卡片7由畫有光路圖的顯示光的直線傳播、光的反射、光的折射等光路圖的卡片構(gòu)成。實驗卡片緊貼在顯示屏底板上。所述底座由底板5與活動卡槽板10構(gòu)成,卡槽板固定在底板上,卡槽板10可在沿底板水平方向上自由移動，卡槽開口垂直向上。所述平面鏡8安放在底板5上，所述光源吸附在顯示屏上，顯示屏豎直安放在底座上。[0022]將柱面透鏡9放在激光光源頭(激光電筒)I前，讓激光軸線與柱面透鏡軸線垂直，這樣經(jīng)柱面透鏡折射后的激光便形成扇形平行平面光束(當然，為增加顯示屏上亮線的亮度效果，我們可以用兩只以上的扇形平行平面光束光源共面疊加)，如圖7。
[0023]將此光源利用彈簧卡固定在磁鐵2上，如圖8。
[0024]鉸鏈鐵板的制作:顯示屏鉸鏈鐵板3由二塊長方形鐵板構(gòu)成，并通過鉸鏈(6)連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動；顯示屏底邊二端各帶有一只與顯示屏垂直的底腳
(31)。將兩片20X15cm的鐵片3用合頁鉸鏈6連接起來，將鐵片涂成白色。目的是演示光線的共面；磁鐵吸引鐵片的摩擦力使光源穩(wěn)定，使用方便如圖9。
[0025]底板的制作:制作一個40X30的硬板(金屬、木塊、塑料均可)，沿邊的中線制作5cm的插卡槽如圖10所示。
[0026]卡片的制作:實驗卡片的大小均為17X35cm的白色平板。演示光的直線傳播如圖
11。光的反射，如圖12。
[0027]當然，還有許多演示幾何光學演示實驗板，如折射，平面鏡成像；平行亮線光源、凸透鏡，凹透鏡的會聚與發(fā)散等。這里就不一一畫出。
[0028]使用時，先將底板放在水平桌面上，將鉸鏈鐵板鉸鏈左邊放在的卡槽中。后將扇形平行平面光束源放在鉸鏈鐵板的左邊顯示屏上，轉(zhuǎn)動扇形平面平行光束，使其與顯示屏垂直，其顯示屏上的亮線的一端是入射點，轉(zhuǎn)動鉸鏈右邊顯示屏驗證三線共面。將演示的幾何光學卡片插入卡槽中，驗證光路。
[0029]例如驗證光的反射:將演示顯示屏垂直放在鏡面上，移動并轉(zhuǎn)動扇形平行平面光束，使顯示屏上呈現(xiàn)亮線，且亮線的一端點與顯示屏上的入射點重合；轉(zhuǎn)動激光電筒，使得扇形平行平面光束，與顯示屏面垂直。則:入射亮線是入射光線L的射影；反射亮線是反射光線L的射影。如圖5。
[0030]讓顯示屏上的那兩條亮線，一條與真正的入射光線平行，共面，且入射光束面與顯示屏垂直；另一條與反射光線平行，共面，且反射光束面與顯示屏垂直。使得顯示屏上與入射光線共面的那條亮線，是入射光線的射影；反射光線共面的那條亮線是反射光線的射影如圖6。
[0031 ] 因此，代表入射光線，反射光線的那兩條亮線的方向，與入射光線和反射光線的方向一致；兩條亮線與法線的夾角，與入射角和反射角相等。因此:顯示屏上的入射亮線與反射亮線表征了入射光線與反射光線在三維空間中分布相同的幾何性質(zhì)。正確地顯示了光的反射規(guī)律(光的折射亦然)。這正是幾何光學實驗的物理機理。
[0032]上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進，這些也應(yīng)該視為發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本發(fā)明實施的效果和專利的實用性。
【權(quán)利要求】
1.一種幾何光學實驗儀，包括光源、顯示屏、光學元件、底座，其特征是所述光源為扇 形平行平面光源，所述光源由激光發(fā)射源、圓柱面透鏡構(gòu)成，柱面透鏡安裝在激光發(fā)射源光 頭前，激光發(fā)射源光頭軸線與柱面透鏡軸線垂直，所述顯示屏由顯示屏底板(3)、實驗卡片(7)構(gòu)成，所述光學元件安放在底板上，所述光源吸附在顯示屏上，顯示屏豎直安放在底座 上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的幾何光學實驗儀其特征是，顯示屏底板由二塊長方形鐵板構(gòu) 成，并通過鉸鏈(6)連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動；顯示屏底板底邊二端各帶有一 只與顯示屏表面垂直的底腳(31)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的幾何光學實驗儀其特征是，所述底座由底板(5)與活動卡槽 板(10)構(gòu)成;所述卡槽板包括卡槽板(101)、(102)、(103)，卡槽板(101)、(103)固定在底板 上，卡槽板(102)可在沿底板水平方向上自由移動，卡槽板接觸面表面平整且垂直于底板。
【文檔編號】G09B23/22GK103531063SQ201310477348
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】劉建國 申請人:劉建國