幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，包括光源、顯示屏、光學(xué)元件、底座。本實(shí)用新型光學(xué)演示儀:柱面透鏡安裝在激光頭前，激光頭軸線(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)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。本實(shí)用新型顯示屏上的亮線(xiàn)，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(shí)，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(dòng)光源，改變光路非常方便，顯示屏上的入射亮線(xiàn)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(shí)驗(yàn)儀能夠演示各種不同的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)。本裝置利用激光，能夠使亮線(xiàn)清晰、明亮，具有很好的觀測(cè)性，測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高。整個(gè)裝置具有顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具體涉及一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)，歷來(lái)都是物理老師難做的演示實(shí)驗(yàn)。公知的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)代表光線(xiàn)，顯示的亮線(xiàn)時(shí)有時(shí)無(wú)，極不穩(wěn)定，且實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便。在物體表面漫反射形成亮線(xiàn)代表光線(xiàn)，不能演示反射光線(xiàn)、折射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)共面的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)時(shí)很難在光路面板上顯示亮線(xiàn)，面板與界面難以垂直獲得法線(xiàn)。
[0003]更為重要的是，這種方法是錯(cuò)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(xiàn)。用這根亮線(xiàn)來(lái)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(xiàn)與光線(xiàn)的方向不一致不能代表光線(xiàn)。
[0004]比如初中物理在做幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為驗(yàn)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(xiàn)代表“入射光線(xiàn)” L1;另一部分光線(xiàn)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(xiàn)表示“反射光線(xiàn)” L2來(lái)驗(yàn)證光的反射定律。
[0005]我們來(lái)解析這個(gè)方法的錯(cuò)誤的原因:
[0006]首先讓一束平行光斜射在平面鏡上，會(huì)反射光，我們用L1, L，L2三條光線(xiàn)來(lái)表本，如圖2所示。
[0007]其次，將演示顯示屏垂直放在鏡面上，移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)，使顯示屏上呈現(xiàn)亮線(xiàn)且亮線(xiàn)的一端點(diǎn)與顯示屏上的入射點(diǎn)重合如圖3所示。
[0008]假定顯示屏上的入射亮線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角為Z B，入射角為Z A ;顯示屏與與入射光線(xiàn)反射光線(xiàn)所在的平面的夾角為Z C，如圖4所示:
[0009]顯然:tanA=QN/0N;tanB=RN/0N ;
[0010]則:tanB=RN/QN(tanA)
[0011]pk丄ok, Zl PKO是直角三角形:
[0012]seC=P0/K0=RN/QN
[0013]故:tanB=secCtanA，
[0014]即:ZB=tan_1secCtanA
[0015]顯然:ZC=0，ZB=ZA;
[0016]Z C) 0, ZB) ZA
[0017]因此，Z C越大，Z B與Z A的偏差也越大，反射亦然。
[0018]我們可以看出，代表入射光線(xiàn)的那條亮線(xiàn)L1，與真的入射光線(xiàn)L有一交角，反射光線(xiàn)與反射亮線(xiàn)也有一交角。正是由于交角的存在，使這各演示方法存在錯(cuò)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(xiàn)的方向與真正的入射光線(xiàn)，反射光線(xiàn)的方向不一致，不能代表真正的入射光線(xiàn)，和反射光線(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本實(shí)用新型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(xiàn)入射角反射角，光線(xiàn)顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的幾何光學(xué)演示儀。
[0020]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，包括光源、顯示屏、光學(xué)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(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)垂直，所述顯示屏由顯示屏底板(3)、實(shí)驗(yàn)卡片(7)構(gòu)成，所述光學(xué)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。所述顯示屏底板由二塊長(zhǎng)方形鐵板構(gòu)成，并通過(guò)鉸鏈(6)連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；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)。實(shí)驗(yàn)卡片7由畫(huà)有光路圖的顯示光的直線(xiàn)傳播、光的反射、光的折射等光路圖的卡片構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)卡片緊貼在顯示屏底板上。所述底座由底板5與活動(dòng)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(dòng)，卡槽開(kāi)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a (101)、卡槽板b (102)、卡槽板c (103)，卡槽板a(101)、卡槽板c (103)固定在底板上，卡槽板b (102)可在沿底板水平方向上自由移動(dòng)，卡槽板接觸面表面平整且垂直于底板。
[0021]本實(shí)用新型利用幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)原理:
[0022]讓光束平面與顯示屏平面垂直相截，且欲演示的光線(xiàn)與顯示屏上的亮線(xiàn)平行。那么顯示屏上的亮線(xiàn)是演示光線(xiàn)的射影，其幾何性質(zhì)與演示光線(xiàn)相同。
[0023]本實(shí)用新型光學(xué)演示儀柱面透鏡9安裝在激光頭I前，激光頭軸線(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)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)。
[0024]使用時(shí)，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(dòng)激光光源，獲得扇形平面光束。轉(zhuǎn)動(dòng)光源，使扇形平面光束與顯示屏垂直，其顯示屏上的亮線(xiàn)的一端是入射點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈右邊顯示屏驗(yàn)證三線(xiàn)共面。然后將演示的幾何光學(xué)卡片、顯示顯示屏插入卡槽中，移動(dòng)卡槽板10卡緊。就能使用激光束在顯示屏上顯示出光的直接傳播、反射、折射光路，演示光的傳播規(guī)律。
[0025]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(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)扇形平面光束，使顯示屏上呈現(xiàn)入射亮線(xiàn)11，且亮線(xiàn)的一端點(diǎn)與顯示屏上的入射點(diǎn)重合；轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)11是入射光線(xiàn)12的射影；反射亮線(xiàn)13是反射光線(xiàn)14的射影。
[0026]本實(shí)用新型演示裝置，顯示屏上的那兩條亮線(xiàn)，一條與真正的入射光線(xiàn)平行，共面，且入射光束面與顯示屏垂直；另一條與反射光線(xiàn)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(xiàn)共面的那條亮線(xiàn)，是入射光線(xiàn)的射影；反射光線(xiàn)共面的那條亮線(xiàn)是反射光線(xiàn)的射影。
[0027]因此，代表入射光線(xiàn)，反射光線(xiàn)的那兩條亮線(xiàn)的方向，與入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)的方向一致；兩條亮線(xiàn)與法線(xiàn)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(xiàn)與反射亮線(xiàn)表征了入射光線(xiàn)與反射光線(xiàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)的物理機(jī)理。
[0028]本實(shí)用新型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(xiàn)是扇形平面光束，一部分光束在不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)顯示屏下可直接照射在顯示屏上，形成演示亮線(xiàn)，另一部分光束代表入射光線(xiàn)，這些光線(xiàn)中有一條光線(xiàn)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(dòng)顯示屏得到的顯示屏上的亮線(xiàn)，沒(méi)有一條光線(xiàn)是平行于顯示屏的。本實(shí)用新型演示方法顯示屏上的那兩條亮線(xiàn)，固然也不是真正的入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn):我們看到的是入射光線(xiàn)，與反射光線(xiàn)在顯示屏上的射影——兩條亮線(xiàn)，但它們彰顯了光在自由空間運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì)。
[0029]本實(shí)用新型顯示屏上的亮線(xiàn)，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(shí)，欲顯示光束的入射角與顯示屏顯示光束的入射角偏差。
[0030]裝置采用磁鐵吸引鐵的摩擦力穩(wěn)定光源，轉(zhuǎn)動(dòng)光源，改變光路非常方便，顯示屏上的入射亮線(xiàn)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(shí)驗(yàn)儀能夠靈活演示幾何光學(xué)的各種不同實(shí)驗(yàn)。本裝置利用激光，能夠使亮線(xiàn)清晰、明亮，具有很好的觀測(cè)性，測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高。整個(gè)裝置具有顯示的方法正確，光源穩(wěn)定，便于觀測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明:
[0032]圖1是本實(shí)用新型幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖
[0033]圖2、圖3、是傳統(tǒng)演示方法示意圖
[0034]圖4是傳統(tǒng)演示方法幾何模型圖
[0035]圖5是、圖6本實(shí)用新型幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀光的反射示意圖
[0036]圖7是光源示意圖
[0037]圖8是光源組件示意圖
[0038]圖9是顯示屏示意圖
[0039]圖10是底座示意圖
[0040]圖11、12是實(shí)驗(yàn)卡片示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0041]一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，包括光源、顯示屏、光學(xué)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(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)垂直；所述顯示屏由顯示屏底板3、實(shí)驗(yàn)卡片7構(gòu)成。顯示屏底板由二塊長(zhǎng)方形鐵片構(gòu)成，并通過(guò)鉸鏈6連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。顯示屏底板各帶有一只與顯示屏板垂直的底腳；實(shí)驗(yàn)卡片7由畫(huà)有光路圖的顯示光的直線(xiàn)傳播、光的反射、光的折射等光路圖的卡片構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)卡片緊貼在顯示屏底板上。所述底座由底板5與活動(dòng)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(dòng)，卡槽開(kāi)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。
[0042]將柱面透鏡9放在激光光源頭(激光電筒)I前，讓激光軸線(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)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(dāng)然，為增加顯示屏上亮線(xiàn)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。
[0043]將此光源利用彈簧卡固定在磁鐵2上，如圖8。
[0044]鉸鏈鐵板的制作:顯示屏鉸鏈鐵板3由二塊長(zhǎng)方形鐵板構(gòu)成，并通過(guò)鉸鏈(6)連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；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(yè)鉸鏈6連接起來(lái)，將鐵片涂成白色。目的是演示光線(xiàn)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。
[0045]底板的制作:制作一個(gè)40X30的硬板(金屬、木塊、塑料均可)，沿邊的中線(xiàn)制作5cm的插卡槽如圖10所示。
[0046]卡片的制作:實(shí)驗(yàn)卡片的大小均為17X35cm的白色平板。演示光的直線(xiàn)傳播如圖
11。光的反射，如圖12。
[0047]當(dāng)然，還有許多演示幾何光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)板，如折射，平面鏡成像；平行亮線(xiàn)光源、凸透鏡，凹透鏡的會(huì)聚與發(fā)散等。這里就不一一畫(huà)出。
[0048]使用時(shí)，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(dòng)扇形平面平行光束，使其與顯示屏垂直，其顯示屏上的亮線(xiàn)的一端是入射點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈右邊顯示屏驗(yàn)證三線(xiàn)共面。將演示的幾何光學(xué)卡片插入卡槽中，驗(yàn)證光路。
[0049]例如驗(yàn)證光的反射:將演示顯示屏垂直放在鏡面上，移動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)扇形平行平面光束，使顯示屏上呈現(xiàn)亮線(xiàn)，且亮線(xiàn)的一端點(diǎn)與顯示屏上的入射點(diǎn)重合；轉(zhuǎn)動(dòng)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(xiàn)是入射光線(xiàn)L的射影；反射亮線(xiàn)是反射光線(xiàn)L的射影。如圖5。
[0050]讓顯示屏上的那兩條亮線(xiàn)，一條與真正的入射光線(xiàn)平行，共面，且入射光束面與顯示屏垂直；另一條與反射光線(xiàn)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(xiàn)共面的那條亮線(xiàn)，是入射光線(xiàn)的射影；反射光線(xiàn)共面的那條亮線(xiàn)是反射光線(xiàn)的射影如圖6。
[0051]因此，代表入射光線(xiàn)，反射光線(xiàn)的那兩條亮線(xiàn)的方向，與入射光線(xiàn)和反射光線(xiàn)的方向一致；兩條亮線(xiàn)與法線(xiàn)的夾角，與入射角和反射角相等。因此:顯示屏上的入射亮線(xiàn)與反射亮線(xiàn)表征了入射光線(xiàn)與反射光線(xiàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)的物理機(jī)理。
[0052]上所述的僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為實(shí)用新型的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本實(shí)用新型實(shí)施的效果和專(zhuān)利的實(shí)用性。
【權(quán)利要求】
1.一種幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，包括光源、顯示屏、光學(xué)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(xiàn)與柱面透鏡軸線(xiàn)垂直，所述顯示屏由顯示屏底板(3)、實(shí)驗(yàn)卡片(7)構(gòu)成，所述光學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)儀其特征是，顯示屏底板由二塊長(zhǎng)方形鐵板構(gòu)成，并通過(guò)鉸鏈(6)連接，在與底座豎立方向上可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；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(xué)實(shí)驗(yàn)儀其特征是，所述底座由底板(5)與活動(dòng)卡槽板(10)構(gòu)成；所述卡槽板包括卡槽板a (101)、卡槽板b (102)、卡槽板C (103)，卡槽板a(101)、卡槽板c (103)固定在底板上，卡槽板b (102)可在沿底板水平方向上自由移動(dòng)，卡槽板接觸面表面平整且垂直于底板。
【文檔編號(hào)】G09B23/22GK203607010SQ201320631461
【公開(kāi)日】2014年5月21日 申請(qǐng)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(guó) 申請(qǐng)人:劉建國(guó)