CN103531063A

CN103531063A - 几何光学实验仪

Info

Publication number: CN103531063A
Application number: CN201310477348.5A
Authority: CN
Inventors: 刘建国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-10-14
Publication date: 2014-01-22

Abstract

一种几何光学实验仪，包括光源、显示屏、光学元件、底座。本发明光学演示仪:柱面透镜安装在激光头前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直，激光发出激光经柱面透镜折射后行成一种扇形平行平面光束作为光源。本发明显示屏上的亮线，成为欲显示光束的射影，显示屏显示光路入射角与欲显示光束的入射角相等。纠正了使用平行平面光束演示时，欲显示光束的入射角与显示屏显示光束的入射角偏差。装置采用磁铁吸引铁产生的摩擦力稳定光源，转动光源，改变光路非常方便，显示屏上的入射亮线在入射显示屏的二维平面上能够任意指向。利用各种光路卡片，同一实验仪能够演示各种不同的几何光学实验。本装置利用激光，能够使亮线清晰、明亮，具有很好的观测性，测量的数据准确，精度高。整个装置具有显示的方法正确，光源稳定，便于观测，结构简单，使用方便的特点。

Description

几何光学实验仪

技术领域

本发明涉及一种几何光学实验设备，具体涉及一种几何光学实验仪。

背景技术

几何光学实验，历来都是物理老师难做的演示实验。公知的几何光学实验仪有很多种，他们大多用平行光束斜射在物体表面，漫反射形成亮线代表光线，显示的亮线时有时无，极不稳定，且实验装置结构复杂，操作不便。在物体表面漫反射形成亮线代表光线，不能演示反射光线、折射光线与入射光线共面的问题。实验时很难在光路面板上显示亮线，面板与界面难以垂直获得法线。

更为重要的是，这种方法是错误的。使用平行平面光束作为光源，旋转显示屏，平行光束在显示屏上的漫反射形成亮线。用这根亮线来代表的入射角与真正的平行光束入射角存在偏差。显示屏上显示的入射角大于平行光束真正的入射角。这些亮线与光线的方向不一致不能代表光线。

比如初中物理在做几何光学实验时，为验证反射角等于入射角，传统的做法，让一束平行光的一部分光斜射在平面显示屏E上，形成一条亮线代表“入射光线”l₁;另一部分光线射在平面镜M上，经平面镜反射后，斜射在与E共面的F上，形成一条亮线表示“反射光线”l₂.来验证光的反射定律。

我们来解析这个方法的错误的原因：

首先让一束平行光斜射在平面镜上，会反射光，我们用L1,L,l2三条光线来表示，如图2所示。

其次，将演示显示屏垂直放在镜面上，移动并转动，使显示屏上呈现亮线且亮线的一端点与显示屏上的入射点重合如图3所示。

假定显示屏上的入射亮线与法线的夹角为∠B，入射角为∠A；显示屏与与入射光线反射光线所在的平面的夹角为∠C，如图4所示：

显然：tanA=QN/ON;tanB=RN/ON；

则：tanB=RN/QN(tanA)

pk⊥ok,⊿PKO是直角三角形：

seC=PO/KO=RN/QN

故：tanB=secCtanA，

即：∠B=tan^-1secCtanA

显然: ∠C=0， ∠B=∠A;

∠C〉O, ∠B〉∠A

因此，∠C越大，∠B与∠A的偏差也越大，反射亦然。

我们可以看出，代表入射光线的那条亮线l1，与真的入射光线L有一交角，反射光线与反射亮线也有一交角。正是由于交角的存在，使这各演示方法存在错误：显示屏上显示的入射角，反射角，比真正的入射角，反射角大。显示屏上的那两条亮线的方向与真正的入射光线，反射光线的方向不一致，不能代表真正的入射光线，和反射光线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种显示屏上显示的入射角反射角等于光线入射角反射角，光线显示的方法正确，光源稳定，便于观测，结构简单，使用方便的几何光学演示仪。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种几何光学实验仪，包括光源、显示屏、光学元件、底座，其特征是光源由激光光源1、圆柱面透镜9、磁铁4连接装置2构成，柱面透镜9安装在激光光源1前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直；所述显示屏由显示屏底板3、实验卡片7构成。显示屏底板由二块长方形铁片构成，并通过铰链6连接，在与底座竖立方向上可自由转动。显示屏底板两端各带有一只与显示屏板垂直的底脚；实验卡片7由画有光路图的显示光的直线传播、光的反射、光的折射等光路图的卡片构成。实验卡片紧贴在显示屏底板上。所述底座由底板5与活动卡槽板10构成，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动，卡槽开口垂直向上。所述平面镜8安放在底板5上，所述光源吸附在显示屏上，显示屏竖直安放在底座上。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动，卡槽板接触面表面平整且垂直于底板。

本发明利用几何光学实验原理：

让光束平面与显示屏平面垂直相截，且欲演示的光线与显示屏上的亮线平行。那么显示屏上的亮线是演示光线的射影，其几何性质与演示光线相同。

本发明光学演示仪柱面透镜9安装在激光头1前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直，激光头发出激光经柱面透镜轴后形成一种扇形平行平面光束作为光源（光束平面为扇形，光束面间相互平行）。

使用时，将底板放在水平桌面上，将显示显示屏垂直放在底板上。然后将光源吸附在显示显示屏上。启动激光光源，获得扇形平面光束。转动光源，使扇形平面光束与显示屏垂直，其显示屏上的亮线的一端是入射点，转动铰链右边显示屏验证三线共面。然后将演示的几何光学卡片、显示显示屏插入卡槽中，移动卡槽板10卡紧。就能使用激光束在显示屏上显示出光的直接传播、反射、折射光路，演示光的传播规律。

如要演示光的反射如图5、图6，将演示显示屏3垂直放在底座上，在底座上放上平面镜8，移动并转动扇形平面光束，使显示屏上呈现入射亮线11，且亮线的一端点与显示屏上的入射点重合；转动激光电筒，使得扇形平行平面光束，与显示屏面垂直。则：入射亮线11是入射光线12的射影；反射亮线13是反射光线14的射影。

本发明演示装置，显示屏上的那两条亮线，一条与真正的入射光线平行，共面,且入射光束面与显示屏垂直;另一条与反射光线平行，共面，且反射光束面与显示屏垂直。使得显示屏上与入射光线共面的那条亮线，是入射光线的射影；反射光线共面的那条亮线是反射光线的射影。

因此，代表入射光线，反射光线的那两条亮线的方向，与入射光线和反射光线的方向一致；两条亮线与法线的夹角，与入射角和反射角相等∠1=∠2。因此：显示屏上的入射亮线与反射亮线表征了入射光线与反射光线在三维空间中分布相同的几何性质。正确地显示了光的反射规律（光的折射亦然）。这正是几何光学实验的物理机理。

本发明利用柱面透镜将平行激光束折射成平行扇形平面光束，由于演示入射光线是扇形平面光束，一部分光束在不经过转动显示屏下可直接照射在显示屏上，形成演示亮线，另一部分光束代表入射光线，这些光线中有一条光线L如图所示是平行于显示屏的。而传统演示方法中平行光束转动显示屏得到的显示屏上的亮线，没有一条光线是平行于显示屏的。本发明演示方法显示屏上的那两条亮线，固然也不是真正的入射光线和反射光线：我们看到的是入射光线，与反射光线在显示屏上的射影——两条亮线，但它们彰显了光在自由空间运动的几何性质。

本发明显示屏上的亮线，成为欲显示光束的射影，显示屏显示光路入射角与欲显示光束光束的入射角相等。纠正了使用平行平面光束演示时，欲显示光束光束的入射角与显示屏显示光束的入射角偏差。

装置采用磁铁吸引铁的摩擦力稳定光源，转动光源，改变光路非常方便，显示屏上的入射亮线在入射显示屏的二维平面上能够任意指向。利用各种光路卡片，同一实验仪能够灵活演示几何光学的各种不同实验。本装置利用激光，能够使亮线清晰、明亮，具有很好的观测性，测量的数据准确，精度高。整个装置具有显示的方法正确，光源稳定，便于观测，结构简单，使用方便的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明几何光学实验仪的结构示意图

图2、图3、是传统演示方法示意图

图4是传统演示方法几何模型图

图5是、图6本发明几何光学实验仪光的反射示意图

图7是光源示意图

图8是光源组件示意图

图9是显示屏示意图

图10是底座示意图

图11、12是实验卡片示意图

图13本演示装置演示光的反射实物图

图14本演示装置演示光直线传播实物图。

具体实施方式

一种几何光学实验仪，包括光源、显示屏、光学元件、底座，其特征是光源由激光光源1、圆柱面透镜9、磁铁4连接装置2构成，柱面透镜9安装在激光头1前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直；所述显示屏由显示屏底板3、实验卡片7构成。显示屏底板由二块长方形铁片构成，并通过铰链6连接，在与底座竖立方向上可自由转动。显示屏底板各带有一只与显示屏板垂直的底脚；实验卡片7由画有光路图的显示光的直线传播、光的反射、光的折射等光路图的卡片构成。实验卡片紧贴在显示屏底板上。所述底座由底板5与活动卡槽板10构成，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动，卡槽开口垂直向上。所述平面镜8安放在底板5上，所述光源吸附在显示屏上，显示屏竖直安放在底座上。

将柱面透镜9放在激光光源头（激光电筒）1前，让激光轴线与柱面透镜轴线垂直，这样经柱面透镜折射后的激光便形成扇形平行平面光束（当然，为增加显示屏上亮线的亮度效果,我们可以用两只以上的扇形平行平面光束光源共面叠加），如图7。

将此光源利用弹簧卡固定在磁铁2上，如图8。

铰链铁板的制作：显示屏铰链铁板3由二块长方形铁板构成，并通过铰链（6）连接，在与底座竖立方向上可自由转动；显示屏底边二端各带有一只与显示屏垂直的底脚（31）。将两片20X15cm的铁片3用合页铰链6连接起来，将铁片涂成白色。目的是演示光线的共面；磁铁吸引铁片的摩擦力使光源稳定，使用方便如图9。

底板的制作：制作一个40X30的硬板（金属、木块、塑料均可），沿边的中线制作5cm的插卡槽如图10所示。

卡片的制作：实验卡片的大小均为17X35cm的白色平板。演示光的直线传播如图11。光的反射，如图12。

当然，还有许多演示几何光学演示实验板，如折射，平面镜成像；平行亮线光源、凸透镜，凹透镜的会聚与发散等。这里就不一一画出。

使用时，先将底板放在水平桌面上，将铰链铁板铰链左边放在的卡槽中。后将扇形平行平面光束源放在铰链铁板的左边显示屏上，转动扇形平面平行光束，使其与显示屏垂直，其显示屏上的亮线的一端是入射点，转动铰链右边显示屏验证三线共面。将演示的几何光学卡片插入卡槽中，验证光路。

例如验证光的反射：将演示显示屏垂直放在镜面上，移动并转动扇形平行平面光束，使显示屏上呈现亮线，且亮线的一端点与显示屏上的入射点重合；转动激光电筒，使得扇形平行平面光束，与显示屏面垂直。则：入射亮线是入射光线L的射影；反射亮线是反射光线L的射影。如图5。

让显示屏上的那两条亮线，一条与真正的入射光线平行，共面,且入射光束面与显示屏垂直;另一条与反射光线平行，共面，且反射光束面与显示屏垂直。使得显示屏上与入射光线共面的那条亮线，是入射光线的射影；反射光线共面的那条亮线是反射光线的射影如图6。

因此，代表入射光线，反射光线的那两条亮线的方向，与入射光线和反射光线的方向一致；两条亮线与法线的夹角，与入射角和反射角相等。因此：显示屏上的入射亮线与反射亮线表征了入射光线与反射光线在三维空间中分布相同的几何性质。正确地显示了光的反射规律（光的折射亦然）。这正是几何光学实验的物理机理。

上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims

1.一种几何光学实验仪，包括光源、显示屏、光学元件、底座，其特征是所述光源为扇形平行平面光源，所述光源由激光发射源、圆柱面透镜构成，柱面透镜安装在激光发射源光头前，激光发射源光头轴线与柱面透镜轴线垂直，所述显示屏由显示屏底板（3）、实验卡片（7）构成，所述光学元件安放在底板上，所述光源吸附在显示屏上，显示屏竖直安放在底座上。

2.根据权利要求1所述的几何光学实验仪其特征是，显示屏底板由二块长方形铁板构成，并通过铰链（6）连接，在与底座竖立方向上可自由转动；显示屏底板底边二端各带有一只与显示屏表面垂直的底脚（31）。

3.根据权利要求1所述的几何光学实验仪其特征是，所述底座由底板（5）与活动卡槽板（10）构成；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动，卡槽板接触面表面平整且垂直于底板。