CN104599561A - 一种激光计时导轨 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光计时导轨，其包括激光器电源、半导体激光器、导轨、反射镜组、光敏管以及放大器；激光器电源连接半导体激光器；反射镜组包括若干反射镜，各反射镜分别设置于导轨两侧，并且与半导体激光器形成一条光路；各反射镜分别顺序反射半导体激光器的激光，输出到光敏管；光敏管的输出端连接放大器。这样，采用激光技术实现计时导轨、简化光路、减少接收器数量、有效实现快速移动物体的计时及测速，可配合多种信号接收装置使用，便于作为教学演示，令学生学习自然物理科学。

Description

一种激光计时导轨

技术领域

本发明涉及物理教学的实验设计，尤其涉及的是，一种激光计时导轨。

背景技术

一些普通物理运动学实验教具多年没有改进，例如，名称为数字计时导轨实验小车的中国专利，其申请号为90216765.0，一种普通物理运动学实验中用于测定时间的数字计时导轨实验小车。本发明的特征是在导轨板面边缘的浅槽内装有两个可滑动的控制电子表秒功能的开关，此两个控制开关用导线分别与电子表的秒功能开关并联，在物理小车一侧的支架上装有与电子表秒功能开关的控制开关相配合使用的实现对秒功能开关控制的控制元件，在电子表的秒功能开关上并接一单芯插孔。本发明用于普通物理运动学实验中所有测定时间的实验。

但是，在二十多年之后，激光技术的发展，使得计时导轨实验存在改进的空间，达到更加精确的效果。

发明内容

本发明提供一种新的激光计时导轨，所要解决的技术问题是如何采用激光技术实现计时导轨、简化光路、减少接收器数量、有效实现快速移动物体的计时及测速、采用若干反射镜与半导体激光器形成一条光路、采用至少两对反射镜进行光的反射、采用反射镜与导轨的配合形成可用于测速的至少两段光路、可配合多种信号接收装置使用等。

本发明的技术方案如下：一种激光计时导轨，其包括激光器电源、半导体激光器、导轨、反射镜组、光敏管以及放大器；所述激光器电源连接所述半导体激光器，用于为所述半导体激光器提供电源；所述反射镜组包括若干反射镜，各所述反射镜分别设置于所述导轨两侧，并且与所述半导体激光器形成一条光路；其中，各所述反射镜分别顺序反射所述半导体激光器的激光，输出到所述光敏管；所述光敏管的输出端连接所述放大器；其中，所述反射镜组的若干反射镜中，包括至少两对反射镜；每一对反射镜包括位于所述导轨一侧的甲反射镜以及位于所述导轨另一侧的乙反射镜；所述甲反射镜与所述乙反射镜之间形成横穿所述导轨的一段光路。

优选的，所述激光计时导轨还包括一声卡，所述声卡连接所述放大器的输出端。

优选的，所述激光计时导轨还包括一计算机，所述计算机连接所述声卡的输出端。

优选的，所述激光计时导轨还包括一小车，所述小车设置在所述导轨上。

优选的，所述光敏管为红外光敏二极管。

优选的，所述反射镜为全反射三棱镜。

优选的，所述反射镜组中，包括至少三对反射镜。

优选的，所述反射镜组中，包括至少四对反射镜。

优选的，所述反射镜组中，还包括一位于所述一条光路末端的反射镜。

优选的，位于所述光路末端的反射镜与所述半导体激光器设置于所述导轨的同一侧。

实施本发明，具有如下有益效果：采用激光技术实现计时导轨、简化光路、减少接收器数量、有效实现快速移动物体的计时及测速、采用若干反射镜与半导体激光器形成一条光路、采用至少两对反射镜进行光的反射、采用反射镜与导轨的配合形成可用于测速的至少两段光路、可配合多种信号接收装置使用等，便于作为教学演示，令学生学习自然物理科学。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的一个实施例是，一种激光计时导轨，其包括激光器电源、半导体激光器、导轨、反射镜组、光敏管以及记录装置；例如，所述记录装置包括一放大器；又如，记录装置还包括与放大器连接的计算机等。或者，记录装置还可以是其他能够记录光敏管输出信号的装置或电路；例如，光敏管还设置模数转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号，由所述记录装置进行记录或者所述放大器放大后作为记录信号输出。

所述激光器电源连接所述半导体激光器，用于为所述半导体激光器提供电源；所述反射镜组包括若干反射镜，各所述反射镜分别设置于所述导轨两侧，并且与所述半导体激光器形成一条光路；其中，各所述反射镜分别顺序反射所述半导体激光器的激光，输出到所述光敏管；所述光敏管的输出端连接所述放大器；其中，所述反射镜组的若干反射镜中，包括至少两对反射镜；每一对反射镜包括位于所述导轨一侧的甲反射镜以及位于所述导轨另一侧的乙反射镜；所述甲反射镜与所述乙反射镜之间形成横穿所述导轨的一段光路，在教学演示中，当导轨上的运动物体经过横穿所述导轨的每一段光路时，会短暂遮挡光线，使得光路中断，此时光敏管发出光路中断的信号通知，经所述放大器放大后输出；需要说明的是，这些信号通知、放大信号，不是本发明所要求保护的范围，本发明所要求保护的是该激光计时导轨的结构，其配合或包括这些检测装置、记录装置使用，可以实现演示教学功能。

这样，达到的技术效果包括：采用激光技术实现计时导轨、简化光路、减少接收器数量、有效实现快速移动物体的计时及测速、采用若干反射镜与半导体激光器形成一条光路、采用至少两对反射镜进行光的反射、采用反射镜与导轨的配合形成可用于测速的至少两段光路、可配合多种信号接收装置使用等，便于作为教学演示，令学生学习自然物理科学。

为了减少测量误差，优选的，所述一段光路垂直于所述导轨，例如，甲反射镜与乙反射镜之间的光线，垂直于所述导轨；优选的，存在光路的各甲反射镜之间的光线，以及存在光路的各乙反射镜之间的光线，均平行于所述导轨。这样，所达到的技术效果是，导轨上的运动物体经过垂直于所述导轨的每一段光路时，距离易于计算，简化了实验数据，便于演示说明，也有利于学生学习。

为了解决如何有效检测光路的技术问题，例如，所述光敏管为红外光敏二极管。优选的，所述光敏管根据所述半导体激光器设置，例如，所述光敏管的型号根据所述半导体激光器的输出波长而设置。这样，可以更精确地有效检测光路。

为了便于用户使用，无需另行购置运动物体，优选的，所述激光计时导轨还包括一小车，所述小车设置在所述导轨上。为了免备电池或者更换电池，优选的，所述小车设置太阳能电池板及其充电电路、蓄电池，用于驱动所述小车运动。为了便于提醒用户，优选的，所述激光计时导轨还包括一声卡，所述声卡连接所述放大器的输出端，例如，光路每中断一次，通过声卡发出提示音；又如，采用声卡进行模拟信号采样与转换，即其充当一个AD转换器(模拟信号-数字信号转换器)的作用，光敏管连接放大器，信号放大后由声卡进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号，由记录装置进行记录或者作为记录信号输出。

或者，所述激光计时导轨还包括一计算机，所述计算机连接所述声卡的输出端，例如，光路每中断一次，通过声卡发出提示音或者发送信号给所述计算机。优选的，所述光敏管为红外光敏二极管。优选的，所述反射镜为全反射三棱镜，或者，为了便于维修以及简化产品，所述反射镜为平面反射镜，其中，各所述平面反射镜分别与所述导轨成45度角，并且，每一对平面反射镜中，甲反射镜与乙反射镜平行设置，两者之间形成横穿所述导轨的一段光路。这样，易于维修激光计时导轨，某一平面反射镜损坏时，可以直接用普通镜子暂代。为了解决安装反射镜的问题，又如，导轨上设置若干对安装孔，每一反射镜对应设置一安装插件，所述安装插件插入对应的安装孔中，以固定反射镜的位置和反射方向。这样，安装方便，光路组配简单。

如图1所示，本发明的一个实施例是，一种激光计时导轨，其包括激光器电源100、半导体激光器200、导轨400、三棱镜组500、光敏管600以及放大器700；所述激光器电源连接所述半导体激光器，用于为所述半导体激光器提供电源；所述半导体激光器输出激光到所述三棱镜组，例如，输出到第一三棱镜510。优选的，所述反射镜为全反射三棱镜。

所述三棱镜组包括若干三棱镜，各所述三棱镜分别设置于所述导轨两侧，并且与所述半导体激光器形成一条光路；其中，各所述三棱镜分别顺序反射所述半导体激光器的激光，输出到所述光敏管；如图1所示，所述三棱镜组包括第一三棱镜510、第二三棱镜520、第三三棱镜530、第四三棱镜540、第五三棱镜550、第六三棱镜560、第七三棱镜570、第八三棱镜580以及第九三棱镜590，各所述三棱镜分别设置于所述导轨两侧，并且与所述半导体激光器形成一条光路；其中，所述半导体激光器的激光顺序经过第一三棱镜510、第二三棱镜520、第三三棱镜530、第四三棱镜540、第五三棱镜550、第六三棱镜560、第七三棱镜570、第八三棱镜580以及第九三棱镜590后，输出到所述光敏管，所述光敏管600的输出端连接所述放大器700。或者，可以理解为，从所述半导体激光器经各三棱镜到所述光敏管为一条完整的光路。

其中，所述三棱镜组的若干三棱镜中，包括至少两对三棱镜；每一对三棱镜包括位于所述导轨一侧的甲三棱镜以及位于所述导轨另一侧的乙三棱镜；所述甲三棱镜与所述乙三棱镜之间形成横穿所述导轨的一段光路。优选的，所述反射镜组中，包括至少三对反射镜。优选的，所述反射镜组中，包括至少四对反射镜。例如，所述反射镜组中，包括四对反射镜；例如，如图1所示，四对反射镜分别为：第一三棱镜510与第二三棱镜520、第三三棱镜530与第四三棱镜540、第五三棱镜550与第六三棱镜560、第七三棱镜570与第八三棱镜580；其中，第一三棱镜510、第四三棱镜540、第五三棱镜550与第八三棱镜580位于所述导轨一侧，作为所述甲三棱镜；第二三棱镜520、第三三棱镜530、第六三棱镜560与第七三棱镜570位于所述导轨另一侧，作为所述乙三棱镜。第一三棱镜510与第二三棱镜520之间、第三三棱镜530与第四三棱镜540之间、第五三棱镜550与第六三棱镜560之间、第七三棱镜570与第八三棱镜580之间，分别形成横穿所述导轨的一段光路。

优选的，如图1所示，所述激光计时导轨还包括一小车300，所述小车300设置在所述导轨400上。优选的，如图1所示，所述激光计时导轨还包括一声卡800，所述声卡800连接所述放大器700的输出端。优选的，所述激光计时导轨还包括一计算机900，所述计算机900连接所述声卡800的输出端。

优选的，所述反射镜组中，还包括一位于所述一条光路末端的反射镜。如图1所示，所述反射镜组500中，还包括一位于所述一条光路末端的反射镜，即第九三棱镜590；为了节约器件数量，简化光路，优选的，位于所述光路末端的反射镜与所述光敏管分别设置于所述导轨的两侧，例如，位于所述光路末端的反射镜设置于所述导轨的一侧，光敏管设置于所述导轨的另一侧；这样，位于所述光路末端的反射镜与所述光敏管也形成了一段光路，当运动物体，例如小车，经过该段光路时，遮挡了该段光路，光敏管输出信号到放大器。优选的，如图1所示，位于所述光路末端的反射镜与所述半导体激光器设置于所述导轨的同一侧。

为了节约器件数量，简化光路，优选的，所述反射镜组中，还包括一位于所述一条光路始端的反射镜。例如，位于所述光路始端的反射镜与所述半导体激光器设置于所述导轨的同一侧。优选的，位于所述光路始端的反射镜与所述半导体激光器分别设置于所述导轨的两侧；这样，位于所述光路始端的反射镜与所述半导体激光器也形成了一段光路，当运动物体，例如小车，经过该段光路时，遮挡了该段光路，整条光路中断，光敏管输出信号到放大器。

这样，将一束激光，分几段折射通过导轨，只需要一个接收器，即光敏电阻，即可实现整条光路的光接收；小车遮挡住了任意一束光线，即任意一段光路，光敏电阻都可以探知，由此可计算遮挡时间或者时间间隔，从而计算出小车的运动参数，包括速度或者加速度等。例如，如图1所示，各段光路将导轨划分成若干段，包括第一段导轨410、第二段导轨420、第三段导轨430、第四段导轨440；这样，在设置完成反射镜组的各反射镜后，可以确定第一段导轨410的长度d1、第二段导轨420的长度d2、第三段导轨430的长度d3、第四段导轨440的长度d4。当实验用的小车放上导轨后，小车长度L、小车运动方向S也是已知的数据，根据这些数据，以及光路的遮挡时间或者遮挡的时间间隔，可以很方便地计算得到小车的速度或者加速度，以作为所述激光计时导轨使用，但是，需要说明的是，这些计算方法或者计算公式，不是本发明所要求保护的范围，本发明所要求保护的是包括相关硬件结构的激光计时导轨，采用该激光计时导轨，可协助演示教学计算小车的速度或者加速度，这样，在演示教学时，具有清楚、直观、易于计算的效果。

最后所应当说明的是，以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种激光计时导轨，其特征在于，包括激光器电源、半导体激光器、导轨、反射镜组、光敏管以及放大器；

所述激光器电源连接所述半导体激光器，用于为所述半导体激光器提供电源；

所述反射镜组包括若干反射镜，各所述反射镜分别设置于所述导轨两侧，并且与所述半导体激光器形成一条光路；其中，各所述反射镜分别顺序反射所述半导体激光器的激光，输出到所述光敏管；

所述光敏管的输出端连接所述放大器；

其中，所述反射镜组的若干反射镜中，包括至少两对反射镜；

每一对反射镜包括位于所述导轨一侧的甲反射镜以及位于所述导轨另一侧的乙反射镜；所述甲反射镜与所述乙反射镜之间形成横穿所述导轨的一段光路。

2.根据权利要求1所述激光计时导轨，其特征在于，还包括一声卡，所述声卡连接所述放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述激光计时导轨，其特征在于，还包括一计算机，所述计算机连接所述声卡的输出端。

4.根据权利要求1所述激光计时导轨，其特征在于，还包括一小车，所述小车设置在所述导轨上。

5.根据权利要求1所述激光计时导轨，其特征在于，所述光敏管为红外光敏二极管。

6.根据权利要求1所述激光计时导轨，其特征在于，所述反射镜为全反射三棱镜。

7.根据权利要求1至6任一所述激光计时导轨，其特征在于，所述反射镜组中，包括至少三对反射镜。

8.根据权利要求7所述激光计时导轨，其特征在于，所述反射镜组中，包括至少四对反射镜。

9.根据权利要求8所述激光计时导轨，其特征在于，所述反射镜组中，还包括一位于所述一条光路末端的反射镜。

10.根据权利要求9所述激光计时导轨，其特征在于，位于所述光路末端的反射镜与所述半导体激光器设置于所述导轨的同一侧。