CN104575213A - 分辨本领演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分辨本领演示装置，该装置的光源A装在护套A中，光源A发出的光垂直通过衍射屏A上的圆孔A；光源B装在护套B中，光源B发出的光垂直通过衍射屏B上的圆孔B；指针A和指针B的指向分别是圆孔A和圆孔B的圆心；所述导轨固定在外壳的上部，通过标尺刻度能够计算圆孔A和圆孔B的间距；所述电源为光源A和光源B供电。有益效果是该演示装置可以演示波动光学中的圆孔衍射和光学仪器分辨本领的相关内容；该装置结构紧凑，操作简便，演示效果明显，易观察易测量，体积小巧，不用外接电源，装置可随身携带，适用于物理理论课教学中对小孔衍射以及光学仪器分辨本领相关内容的课堂演示；通过更换不同种类的衍射屏，可以演示波动光学的其他内容。
Description
技术领域
本发明涉及一种演示装置，特别是一种分辨本领演示装置。
背景技术
光的衍射现象是限制光学仪器分辨本领的主要原因，其原理在大学物理课程的“光的衍射”部分有介绍。以入的演示仪器是用光源照亮两个小孔，用望远镜在远处观察是否能分辨，这种方法因为使用望远镜，每次只能供一个人观看，不能在老师讲解时供全班学生观看，而且小孔之间的距离固定，不能动态连续变化，加之仪器体积庞大，无法带到理论课堂上演示。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种分辨本领演示装置，该装置结构紧凑，操作简便，演示效果明显，易观察易测量，体积小巧，可以不用屏幕在任何墙上演示，不用外接电源，装置可随身携带，适用于物理理论课教学中对小孔衍射以及光学仪器分辨本领相关内容的课堂演示，而且更换不同种类的屏后可以演示波动光学的其他实验内容。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种分辨本领演示装置，其中：该装置包括有外壳，外壳内分别设有光源A、护套A、衍射屏A，衍射屏A上面的圆孔A、指针A、支架A、光源B、护套B、衍射屏B、衍射屏B上面的圆孔B、指针B、支架B；外壳的上面设有导轨，外壳内设有电源。
所述光源A装在护套A中，光源A发出的光垂直通过衍射屏A上的圆孔A；所述光源B装在护套B中，光源B发出的光垂直通过衍射屏B上的圆孔B；所述指针A和指针B的指向分别是圆孔A和圆孔B的圆心；所述导轨固定在外壳的上部，导轨上刻有标尺；所述光源A、护套A、衍射屏A、指针A 成为一个整体通过露出外壳在导轨上垂直于发光方向横向滑动；所述光源B、护套B、衍射屏B、指针B作为一个整体通过露出外壳的支架B在导轨上垂直于发光方向横向滑动；所述圆孔A和圆孔B的位置通过分别固定在护套A和护套B上的指针A和指针B在标尺上读出，进而能够计算圆孔A和圆孔B的间距；所述电源连接开关、导线，为所速光源A和光源B供电。
本发明的效果是：
(1)能够定性、定量地演示物理课程中波动光学的一个内容：光学仪器的分辨本领。
(2)通过更换不同种类的衍射屏能够演示波动光学的其他实验现象。
(3)体积小巧，教师可以随身携带到理论课教室进行课堂演示。
(4)图像投射到屏幕或墙壁上，可供全班师生同时观看和研究。
(5)若采用适当功率的小型激光器作光源，可以在明室演示，对演示条件无特殊要求。
附图说明
图1是本发明演示装置的顶视图；
图2是本发明演示装置的正视图；
图3是本发明演示装置的左视图。
图4是本发明演示装置投射的圆孔衍射图像示意图
图中：
1、光源A 2、护套A 3、衍射屏A
4、圆孔A 5、指针A 6、支架A
7、光源B 8、护套B 9、衍射屏B
10、圆孔B 11、指针B 12、支架B
13、导轨 14、标尺 15、电源
16、开关 17、导线 18、外壳
19、屏幕 20、圆孔A衍射的亮斑 21、圆孔B衍射的亮斑
具体实施方式
结合附图的本发明的分辨本领演示装置结构加以说明。
本发明的分辨本领演示装置设计思想是针对物理教学或光学教学中针对光学仪器的分辨本领这一内容，设计一款小型、便携、效果明显、操作简单、可供多人同时观看和研究的实验装置，用于定性和定量演示分辨本领及相关内容。已有的装置用台灯作光源，体积较大不便携带，用望远镜观察，不能供多人同时观看，孔距固定不能连续可调。本发明可采用小型半导体激光器作光源，用电池供电，装置体积大幅减小，光源与小孔间距连续可调可测，把图像投射到屏幕或墙壁上可供多人同时观看，装置拾方便、操作简单、效果明显。
本发明的分辨本领演示装置结构是，该装置包括有外壳,18，外壳18内分别设有光源A1、护套A2、衍射屏A3，衍射屏A上面的圆孔A4、指针A5、支架A6、光源B7、护套B8、衍射屏B9、衍射屏B上面的圆孔B10、指针B11、支架B12；外壳18的上面设有导轨13，外壳18内设有电源15还有把图像投射到屏幕或墙壁上的屏幕19。
所述光源A1装在护套A2中，发出的光垂直通过衍射屏A3上的圆孔A4；所述光源B7装在护套B8中，发出的光垂直通过衍射屏B9上的圆孔B10；所述护套A2和护套B8分别通过支架A6和支架B12可在导轨13上横向滑动，所述圆孔A4和圆孔B10的位置分别通过指针A5和指针B11在标尺14上读出，进而计算圆孔A4和圆孔B10的间距；所述电源15通过开关16和导线17为所速光源A1和光源B7供电；所述外壳18起到对装置的支撑和保护作用；所述屏幕19用于接收衍射图像。
所述光源A1和光源B7发出的光必须波长相同，是平面波或近似平面波， 满足远场衍射条件，可以使用激光器作为光源，或者使用普通光源加上相关光学元件将球面波变为平面波。所述光源A1和光源B7发出两束光线要互相平行。所述光源A1和光源B7发出两束光线要与导轨13垂直。所述衍射屏A3和衍射屏B9要与光源A1和光源B7发光的方向垂直，且使光源A1和光源B7所发出的光恰好通过圆孔A4和圆孔B10。
所述光源A1、护套A2、衍射屏A3、指针A5作为一个整体通过支架A6可在导轨13上横向垂直于发光方向滑动；光源B7、护套B8、衍射屏B9、指针B11作为一个整体通过支架B12可在导轨13上横向垂直于发光方向滑动。
所述标尺14与导轨13位置相对固定，所述指针A5和指针B11的指向分别是圆孔A4和圆孔B10的圆心，通过指针A5和指针B11可以在标尺14上分读出圆孔A4和圆孔B10的横向位置，进而计算圆孔A4和圆孔B10的间距。
所述电源15的参数要与光源A1和光源B7相匹配。所外壳18只对装置起到支撑和保护作用，与功能的实现无关，不是必要配置。所述屏幕19垂直于光源A1和光源B7发出的光线，用于接收圆孔A4和圆孔B10衍射的图案，所述屏幕19可以用其他物体的平面代替，不是必要配置。
所述衍射屏A3和衍射屏B9有多种规格可以选择更换，各种规格的区别是圆孔A4和圆孔B10的大小不同，但在做分辨本领实验时，同时安装使用的衍射屏A3和衍射屏B9必须规格相同，即同时使用的圆孔A4和圆孔B10大小相同。
所述分辨本领演示装置各部分的尺寸受下列条件约束：设光的波长为λ，圆孔A4和圆孔B10的直径为d，光经过圆孔A4和圆孔B10后投射距离为L，圆孔A4和圆孔B10的之间的距离为x，则根据波动光学相关原理，如果屏幕 离装置较远，超过2米时，可近似认为：当时，光源A1和光源B7发出的光经圆孔A4和圆孔B10的衍射图像恰能分辨。因此，光源A1和光源B7可调节的距离范围应该包含至少满足时，才能演示分辨本领的不能分辨、恰能分辨和完全分辨全部内容。根据上述条件，本装置可以做到很小，如果选用半导体红光激光器为光源，在室内演示，装置的长、宽、高之和可控制在30厘米以内。
所述衍射屏A或衍射屏B可用不同种类的屏替换，即可以把圆衍射屏换成三角形孔衍射屏、矩形孔衍射屏、多边形孔衍射屏、单缝屏、双缝屏、多缝屏、光栅屏、偏振器等，拓展功能用于演示波动光学的其他内容。
本发明的分辨本领演示装置的功能是这样实现的：
如图1、图2、图3所示,将所述光源A1、护套A2、指针A5通过支架A6安装在导轨上13上，同样的方式将光源B7、护套B8、指针B11通过支架B12也安装在导轨上13上，并使光源A1和光源B7发光平行；在护套A2前装上带圆孔A4的衍射屏A3，在护套B8前装上带圆孔B10的衍射屏B9，让光源A1和光源B7发出的光恰好分别通过圆孔A4和圆孔B10。相同的光源A1和光源B7发出的平行光通过相同的圆孔A4和圆孔B10后在屏幕19上分别产生两个相同的衍射图案，图案中心应是圆形亮斑，分别是亮斑A20和亮斑B21，如图4所示。通过在导轨13上移动支架A6和支架B12，可改变圆孔A4和圆孔B10之间的距离x，该距离与屏幕上两亮斑中心的间距相等。当圆孔A4和圆孔B10的间距满足时，两个亮斑恰能分辨；当圆孔A4和圆孔B10的间距时，不能分辨；当圆孔A4和圆孔B10的间距时，完全分辨。上述式中x0可以通过指针5和指针11从标尺上分别读出圆孔A4和圆孔B10的位置算得，λ为光的波长为，d为圆孔A4 和圆孔B10的直径，L为圆孔A4和圆孔B10与屏幕19之间的距离。
本发明的分辨本领演示装置的基本操作步骤：
安装时要保证光源A1和光源B7发出的光平行，在护套A2和护套B8前分别装上还有相同大小圆孔A4和圆孔B10的衍射屏A3和衍射屏B9，闭合开关16，让光源A1和光源B7发出的光分别通过圆孔A4和圆孔B10后将衍射图案投射到屏幕19上，在标尺14上滑动支架A6或支架B12，改变两束平行光的距离从而改变衍射图案中心的距离，观察分别由圆孔A4和圆孔B10衍射产生的两个亮圆斑界线的分辨情况，验证公式更换不同孔径的衍射屏，改变衍射屏与屏幕的距离，可以进行对比实验。把圆衍射屏换成三角形孔衍射屏、矩形孔衍射屏、多边形孔衍射屏、单缝屏、双缝屏、多缝屏、光栅屏、偏振器等，拓展装置功能可用于演示波动光学的其他内容。
Claims (7)
1.一种分辨本领演示装置，其特征是：该装置包括有外壳(18)，外壳(18)内分别设有光源A(1)、护套A(2)、衍射屏A(3)，衍射屏A上面的圆孔A(4)、指针A(5)、支架A(6)、光源B(7)、护套B(8)、衍射屏B(9)、衍射屏B上面的圆孔B(10)、指针B(11)、支架B(12)；外壳(18)的上面设有导轨(13)，外壳(18)内设有电源(15)；
所述光源A(1)装在护套A(2)中，光源A(1)发出的光垂直通过衍射屏A(3)上的圆孔A(4)；所述光源B(7)装在护套B(8)中，光源B(7)发出的光垂直通过衍射屏B(9)上的圆孔B(10)；所述指针A(5)和指针B(11)的指向分别是圆孔A(4)和圆孔B(10)的圆心；所述导轨(13)固定在外壳(1)的上部，导轨(13)上刻有标尺(14)；所述光源A(1)、护套A(2)、衍射屏A(3)、指针A(5)成为一个整体通过露出外壳(18)的支架A(6)在导轨(13)上垂直于发光方向横向滑动；所述光源B(7)、护套B(8)、衍射屏B(9)、指针B(11)作为一个整体通过露出外壳(18)的支架B(12)在导轨(13)上垂直于发光方向横向滑动；所述圆孔A(4)和圆孔B(10)的位置通过分别固定在护套A(2)和护套B(8)上的指针A(5)和指针B(11)在标尺(14)上读出，进而能够计算圆孔A(4)和圆孔B(10)的间距；所述电源(15)连接开关(16)、导线(17)，为所速光源A(1)和光源B(7)供电。
2.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述光源A(1)和光源B(7)发出的光为波长相同、两束光线要互相平行、且是满足远场衍射条件的平面波或近似平面波，能够使用激光器作为光源，或者使用普通光源加上透镜将球面波变为平面波。
3.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述光源A(1)和光源B(7)发出两束光线要与导轨(13)垂直。
4.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述衍射屏A(3)和衍射屏B(9)要与光源A(1)和光源B(7)发光的方向垂直，且使光源A(1)和光源B(7)所发出的光恰好通过圆孔A(4)和圆孔B(10)。
5.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述电源(15)的输出电压和功率要与光源A(1)和光源B(7)相匹配；电源选用电池或外接引线的变压器。
6.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述衍射屏A(3)有多种规格可以替换，各规格衍射屏之间的差别是上面的圆孔A(4)的大小不同；所述衍射屏B(9)有多种规格可以替换，各规格衍射屏之间的差别是上面的圆孔B(10)的大小不同；当进行分辨本领演示时，同时使用的衍射屏A(3)和衍射屏B(4)上的圆孔A(4)和圆孔B(10)孔径大小必须同。
7.根据权利要求1所述的分辨本领演示装置，其特征是：所述分辨本领演示装置各部分的尺寸受下列条件约束：设光的波长为λ，圆孔A(4)和圆孔B(10)的直径为d，圆孔A(4)和圆孔B(10)的投射距离为L，圆孔A(4)和圆孔B(10)的之间的距离为x，则根据波动光学相关原理，若果投射距离超过2米时，近似认为：当时，光源A(1)和光源B(7)发出的光经圆孔A(4)和圆孔B(10)的衍射图像恰能分辨；因此，光源A(1)和光源B(7)可调节的距离范围应该包含至少满足时，才能演示分辨本领的不能分辨、恰能分辨和完全分辨的关键现象。
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