CN109036051A - 环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置与演示方法 - Google Patents
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Abstract
一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，底座上依次设置有左半导体激光器组件、长方体水槽、右半导体激光器组件，水槽的一长侧壁板和两个宽侧壁板均为透明板，水槽内长侧壁板的中部设置有与长侧壁板垂直的遮光板，遮光板将水槽分割成第一水槽和第二水槽，遮光板与水槽底面之间留有间隙使第一水槽和第二水槽相连通，第一水槽内设置有凹透镜组件，第二水槽内设置有凸透镜组件，凹透镜组件和凸透镜组件的中心线重合。本发明具有结构简单，操作方便、造价低廉，演示内容多、演示效果好的优点，可用于课堂演示和实验室演示，也可作为科技馆面向社会公众的科普演示仪器。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及到一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置与演示方法。
背景技术
透镜是中小学生接触的第一个光学器件，也是现代光电科技中必不可少的最重要的器件之一。但学生对透镜的认识，往往是透镜在空气介质中的光学性质。因此，普遍知道的是光学玻璃凸透镜具有会聚光线的特性，故成为会聚透镜；光学玻璃凹透镜则具有发散光线的特性，故成为发散透镜。而事实上，透镜会聚或发散特性不仅取决于透镜的材料、形状，同时还与透镜所处的环境介质折射率有关。我们一般所说的透镜会聚或发散特性，都是透镜材料折射率大于所处环境介质折射率时的情景。而当透镜材料折射率小于所处环境介质折射率时，凸透镜则成了发散透镜，凹透镜成了会聚透镜；当透镜折射率与所处环境介质折射率相同时，透镜的会聚或发散特性消失。如果能全面准确的演示透镜的上述性质，对深化关于学生透镜聚散光原理的理解和应用，具有非常重要的意义。但未见到相关的演示实验仪器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、操作方便、提高学生兴趣、能全面准确的演示透镜性质的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，底座上依次设置有左半导体激光器组件、长方体水槽、右半导体激光器组件，水槽的一长侧壁板和两个宽侧壁板均为透明板，水槽内长侧壁板的中部设置有与长侧壁板垂直的遮光板，遮光板将水槽分割成第一水槽和第二水槽，遮光板与水槽底面之间留有间隙使第一水槽和第二水槽相连通，第一水槽内设置有凹透镜组件，第二水槽内设置有凸透镜组件，凹透镜组件和凸透镜组件均与长方体水槽的两长侧壁垂直。
作为一种优选的技术方案，所述的左半导体激光器组件为左支架上竖直方向设置有第一半导体激光器和第二半导体激光器，第一半导体激光器的中心线和第二半导体激光器的中心线与凹透镜组件中心线之间的距离相等；所述的右半导体激光器组件为右支架上竖直方向设置有第三半导体激光器和第四半导体激光器，第三半导体激光器的中心线和第四半导体激光器的中心线与凸透镜组件的中心线之间的距离相等。
作为一种优选的技术方案，所述的凹透镜组件为弧背相对的第一弧形透明板和第二弧形透明板之间设置有相互平行的第一透明隔板和第二透明隔板，第一弧形透明板与第二弧形透明板的轴线位于长方体水槽的水平中心面上，第一透明隔板和第二透明隔板将第一弧形透明板和第二弧形透明板之间的腔体分割成三个容积相等的腔体；所述的凸透镜组件为开口相对的第三弧形透明板和第四弧形透明板之间设置有相互平行的第三透明隔板和第四透明隔板，第三弧形透明板与第四弧形透明板的轴线与第一弧形透明板的轴线位于同一水平面上，第三透明隔板和第四透明隔板将第三弧形透明板和第四弧形透明板之间的腔体分割成三个容积相等的腔体。
作为一种优选的技术方案，所述的第一弧形透明板和第二弧形透明板以及第三弧形透明板和第四弧形透明板结构相同。
作为一种优选的技术方案，所述的第一弧形透明板的圆弧半径为10～30cm、圆弧所对的圆心角为60～120°。
作为一种优选的技术方案，所述的第一弧形透明板和第二弧形透明板的弧背相距最近处的距离为1cm，所述的第三弧形透明板与第四弧形透明板的上端之间的距离为1cm、下端之间的距离为1cm。
本发明还提供一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置的演示方法，包括如下步骤：
(1)在长方体水槽中凸透镜组件和凹透镜组件外的空间中注满自来水，在凹透镜组件的左前腔a和凸透镜组件的右前腔d中注满饱和盐水，凹透镜组件的左后腔c和凸透镜组件的右后腔f中注满自来水，凹透镜组件的左中腔b和凸透镜组件的右中腔e为空气；
(2)透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架，使右支架上第三半导体激光器和第四半导体激光器输出的平行激光束水平透过凸透镜组件的右前腔d，由于该腔中装的饱和盐水的折射率大于凸透镜组件两侧自来水的折射率，透过凸透镜组件的右前腔d两激光束会聚；
移动左支架，使左支架上第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的平行激光束水平透过凹透镜组件的左前腔a，由于该腔中装的饱和盐水的折射率大于凹透镜组件4两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件的左前腔a的两激光束发散；
该演示表明，透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜是会聚透镜，凹透镜是发散透镜；
(3)透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架，使右支架上第三半导体激光器和第四半导体激光器输出的平行激光束水平透过凸透镜组件的右中腔e，由于该腔中为空气，空气的折射率小于凸透镜组件两侧自来水的折射率，透过凸透镜组件的右中腔e两激光束发散；
移动左支架，使左支架上第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的平行激光束水平透过凹透镜组件的左中腔b，由于该腔中为空气，空气的折射率小于凹透镜组件两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件的左中腔b两激光束会聚；
该演示表明，透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜是发散透镜，凹透镜是会聚透镜；
(4)透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架，使右支架上第三半导体激光器和第四半导体激光器输出的平行激光束水平透过凸透镜组件的右后腔f，由于右后腔f中为自来水，其折射率与凸透镜组件两侧自来水的折射率相同，透过凸透镜组件的右后腔f两激光束不改变方向；
移动左支架，使左支架上第一半导体激光器和第二半导体激光器输出的平行激光束水平透过凹透镜组件的左后腔c，由于左后腔c中为自来水，其折射率等于凹透镜组件两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件的左中腔b两激光束不改变方向；
该演示表明，透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜和凹透镜均没有会聚或发散作用。
本发明的有益效果如下：
本发明采用在凸透镜组件和凹透镜组件的不同腔体中注入不同折射率的透明介质，构成具有不同折射率的凸透镜和凹透镜。同时通过对比演示法，演示了在同一环境介质不同折射率凸透镜和凹透镜中对平行光的会聚或发散特性，直观演示透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性；透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性；透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性，有益于学生全面深刻理解凸透镜、凹透镜聚散光特性及条件。本发明具有结构简单，操作方便、造价低廉，演示内容多、演示效果好的优点，可用于课堂演示和实验室演示，也可作为科技馆面向社会公众的科普演示仪器。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是透镜折射率大于环境折射率的光路示意图。
图4是透镜折射率等于环境折射率的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1、2中，本实施例的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置由第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、长方体水槽3、凹透镜组件4、遮光板5、凸透镜组件6、第三半导体激光器7、第四半导体激光器8、右支架9、底座10、左支架11连接构成。
底座10上从左向右依次安装有左半导体激光器组件、长方体水槽3、右半导体激光器组件，长方体水槽3的前侧壁板和左侧壁板及右侧壁板均为透明玻璃板，长方体水槽3内前侧壁板和后侧壁板的中部安装有与前侧壁板垂直的遮光板5，遮光板5将长方体水槽3分割成第一水槽和第二水槽，遮光板5与长方体水槽3底面之间留有间隙使第一水槽和第二水槽相连通，第一水槽内距长方体水槽3前侧壁左端1/3处密封安装有凹透镜组件4，第二水槽内距长方体水槽3前侧壁右端1/3处密封安装有凸透镜组件6，凹透镜组件4和凸透镜组件6的水平中心线重合，左半导体激光器组件为左支架11上竖直方向并列安装有第一半导体激光器1和第二半导体激光器2，右半导体激光器组件为右支架9上竖直方向并列安装有第三半导体激光器7和第四半导体激光器8，第一半导体激光器1、第二半导体激光器2的中心线距凹透镜组件4水平中心线的距离相等，第三半导体激光器7、第四半导体激光器8的中心线距凸透镜组件6水平中心线的距离相等。
本实施例的凹透镜组件4由第一弧形透明板4‐1、第一透明隔板4‐2、第二弧形透明板4‐3、第二透明隔板4‐4连接构成。
第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3弧背相对且与长方体水槽3的前侧壁板、后侧壁板相垂直安装在长方体水槽3的第一水槽内，第一弧形透明板4‐1与第二弧形透明板4‐3的弧背相距最近处的距离为1cm，第一弧形透明板4‐1的圆弧半径为20cm、圆弧所对的圆心角为90°，第二弧形透明板4‐3与第一弧形透明板4‐1的尺寸和弧度相等，第一弧形透明板4‐1与第二弧形透明板4‐3的轴线位于长方体水槽3的水平中心面上，第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3及长方体水槽3的前侧壁板、后侧壁板和底板合围形成双凹形的凹透镜组件4的腔室，在第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3之间安装有相互平行的第一透明隔板4‐2和第二透明隔板4‐4，第一透明隔板4‐2和第二透明隔板4‐4将凹透镜组件4的腔室分割成三个容积相等的腔体，分别为左前腔a、左中腔b、左后腔c，第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3以及第一透明隔板4‐2和第二透明隔板4‐4的材质为透明玻璃。
本实施例的凸透镜组件6由第三弧形透明板6‐1、第四弧形透明板6‐3、第三透明隔板6‐2、第四透明隔板6‐4连接构成。
第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3的弧形开口相对且与长方体水槽3的前侧壁板、后侧壁板相垂直安装在长方体水槽3的第二水槽内，第三弧形透明板6‐1与第四弧形透明板6‐3的上端之间的距离为1cm、下端之间的距离为1cm，第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3与第一弧形透明板4‐1尺寸和弧度相等，第三弧形透明板6‐1与第四弧形透明板6‐3的轴线与第一弧形透明板4‐1的轴线位于同一水平面上，第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3及长方体水槽3的前侧壁板、后侧壁板和底板合围形成双凸形的凸透镜组件6的腔室，在第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3之间安装有相互平行的第三透明隔板6‐2和第四透明隔板6‐4，第三透明隔板6‐2和第四透明隔板6‐4将凸透镜组件6的腔室分割成三个容积相等的腔体，分别为右前腔d、右中腔e、右后腔f，第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3以及第三透明隔板6‐2和第四透明隔板6‐4的材质为透明玻璃。
上述环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置的演示方法包括如下步骤：
(1)在长方体水槽3中凸透镜组件6和凹透镜组件4外的空间内注满自来水，在凹透镜组件4的左前腔a和凸透镜组件6的右前腔d中注满饱和盐水，凹透镜组件4的左后腔c和凸透镜组件6的右后腔f中注满自来水，凹透镜组件4的左中腔b和凸透镜组件6的右中腔e为空气；
(2)透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架9，使右支架9上第三半导体激光器7和第四半导体激光器8输出的平行激光束水平透过凸透镜组件6的右前腔d，由于该腔中装的饱和盐水的折射率n＝1.379大于凸透镜组件6两侧自来水的折射率n＝1.333，透过凸透镜组件6的右前腔d两激光束会聚；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器1和第二半导体激光器2输出的平行激光束水平透过凹透镜组件4的左前腔a，由于该腔中装的饱和盐水的折射率大于凹透镜组件4两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件4的左前腔a的两激光束发散如图3所示；
该演示表明，透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜是会聚透镜，凹透镜是发散透镜；
(3)透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架9，使右支架9上第三半导体激光器7和第四半导体激光器8输出的平行激光束水平透过凸透镜组件6的右中腔e，由于该腔中为空气，空气的折射率小于凸透镜组件6两侧自来水的折射率，透过凸透镜组件6的右中腔e两激光束发散，如图1所示；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器1和第二半导体激光器2输出的平行激光束水平透过凹透镜组件4的左中腔b，由于该腔中为空气，空气的折射率n＝1小于凹透镜组件4两侧自来水的折射率n＝1.333，透过凹透镜组件4的左中腔b两激光束会聚，如图1所示；
该演示表明，透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜是发散透镜，凹透镜是会聚透镜；
(4)透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架9，使右支架9上第三半导体激光器7和第四半导体激光器8输出的平行激光束水平透过凸透镜组件6的右后腔f，由于右后腔f中为自来水，其折射率与凸透镜组件6两侧自来水的折射率相同，透过凸透镜组件6的右后腔f两激光束不改变方向；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器1和第二半导体激光器2输出的平行激光束水平透过凹透镜组件4的左后腔c，由于左后腔c中为自来水，其折射率等于凹透镜组件4两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件4的左中腔b两激光束不改变方向，如图4所示；
该演示表明，透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜和凹透镜均没有会聚或发散作用。
实施例2
在本实施例中，第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3的弧背相距最近处的距离为1cm，第一弧形透明板4‐1的圆弧半径为10cm、圆弧所对的圆心角为60°，第二弧形透明板4‐3与第一弧形透明板4‐1的尺寸和弧度相等，第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3与第一弧形透明板4‐1尺寸和弧度相等，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
上述环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置的演示方法与实施例1相同。
实施例3
在本实施例中，第一弧形透明板4‐1和第二弧形透明板4‐3的弧背相距最近处的距离为1cm，第一弧形透明板4‐1的圆弧半径为30cm、圆弧所对的圆心角为120°，第二弧形透明板4‐3与第一弧形透明板4‐1的尺寸和弧度相等，第三弧形透明板6‐1和第四弧形透明板6‐3与第一弧形透明板4‐1尺寸和弧度相等，其他零部件及零部件的连接关系与实施例1相同。
上述环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置的演示方法与实施例1相同。
Claims (7)
1.一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：底座10上依次设置有左半导体激光器组件、长方体水槽(3)、右半导体激光器组件，水槽(3)的一长侧壁板和两个宽侧壁板均为透明板，水槽内长侧壁板的中部设置有与长侧壁板垂直的遮光板(5)，遮光板(5)将水槽(3)分割成第一水槽和第二水槽，遮光板(5)与水槽底面之间留有间隙使第一水槽和第二水槽相连通，第一水槽内设置有凹透镜组件(4)，第二水槽内设置有凸透镜组件(6)，凹透镜组件(4)和凸透镜组件(6)均与长方体水槽(3)的两长侧壁垂直。
2.根据权利要求1所述的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：所述的左半导体激光器组件为左支架11上竖直方向设置有第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)，第一半导体激光器(1)的中心线和第二半导体激光器(2)的中心线与凹透镜组件(4)水平中心线之间的距离相等；所述的右半导体激光器组件为右支架(9)上竖直方向设置有第三半导体激光器(7)和第四半导体激光器(8)，第三半导体激光器(7)的中心线和第四半导体激光器(8)的中心线与凸透镜组件(6)的水平中心线之间的距离相等。
3.根据权利要求1所述的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：所述的凹透镜组件(4)为弧背相对的第一弧形透明板(4‐1)和第二弧形透明板(4‐3)之间设置有相互平行的第一透明隔板(4‐2)和第二透明隔板(4‐4)，第一弧形透明板(4‐1)与第二弧形透明板(4‐3)的轴线位于长方体水槽(3)的水平中心面上，第一透明隔板(4‐2)和第二透明隔板(4‐4)将第一弧形透明板(4‐1)和第二弧形透明板(4‐3)之间的腔体分割成三个容积相等的腔体；所述的凸透镜组件(6)为开口相对的第三弧形透明板(6‐1)和第四弧形透明板(6‐3)之间设置有相互平行的第三透明隔板(6‐2)和第四透明隔板(6‐4)，第三弧形透明板(6‐1)与第四弧形透明板(6‐3)的轴线与第一弧形透明板(4‐1)的轴线位于同一水平面上，第三透明隔板(6‐2)和第四透明隔板(6‐4)将第三弧形透明板(6‐1)和第四弧形透明板(6‐3)之间的腔体分割成三个容积相等的腔体。
4.根据权利要求3所述的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：所述的第一弧形透明板(4‐1)和第二弧形透明板(4‐3)以及第三弧形透明板(6‐1)和第四弧形透明板(6‐3)结构相同。
5.根据权利要求4所述的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：所述的第一弧形透明板(4‐1)的圆弧半径为10～30cm、圆弧所对的圆心角为60～120°。
6.根据权利要求3所述的环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置，其特征在于：所述的第一弧形透明板(4‐1)和第二弧形透明板(4‐3)的弧背相距最近处的距离为1cm，所述的第三弧形透明板(6‐1)与第四弧形透明板(6‐3)的上端之间的距离为1cm、下端之间的距离为1cm。
7.一种环境介质对透镜聚散光特性影响的演示装置的演示方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在长方体水槽(3)中凸透镜组件(6)和凹透镜组件(4)外的空间中注满自来水，在凹透镜组件(4)的左前腔(a)和凸透镜组件(6)的右前腔(d)中注满饱和盐水，凹透镜组件(4)的左后腔(c)和凸透镜组件(6)的右后腔(f)中注满自来水，凹透镜组件(4)的左中腔(b)和凸透镜组件(6)的右中腔(e)为空气；
(2)透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架(9)，使右支架(9)上第三半导体激光器(7)和第四半导体激光器(8)输出的平行激光束水平透过凸透镜组件(6)的右前腔(d)，由于该腔中装的饱和盐水的折射率大于凸透镜组件(6)两侧自来水的折射率，透过凸透镜组件(6)的右前腔(d)两激光束会聚；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)输出的平行激光束水平透过凹透镜组件(4)的左前腔(a)，由于该腔中装的饱和盐水的折射率大于凹透镜组件(4)两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件(4)的左前腔(a)的两激光束发散；
该演示表明，透镜折射率大于环境折射率时，凸透镜是会聚透镜，凹透镜是发散透镜；
(3)透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架(9)，使右支架(9)上第三半导体激光器(7)和第四半导体激光器(8)输出的平行激光束水平透过凸透镜组件(6)的右中腔(e)，由于该腔中为空气，空气的折射率小于凸透镜组件(6)两侧自来水的折射率，透过凸透镜组件(6)的右中腔(e)两激光束发散；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)输出的平行激光束水平透过凹透镜组件(4)的左中腔(b)，由于该腔中为空气，空气的折射率小于凹透镜组件(4)两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件(4)的左中腔(b)两激光束会聚；
该演示表明，透镜折射率小于环境折射率时，凸透镜是发散透镜，凹透镜是会聚透镜；
(4)透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜、凹透镜聚散光特性的演示
移动右支架(9)，使右支架(9)上第三半导体激光器(7)和第四半导体激光器(8)输出的平行激光束水平透过凸透镜组件(6)的右后腔(f)，由于右后腔(f)中为自来水，其折射率与凸透镜组件(6)两侧自来水的折射率相同，透过凸透镜组件(6)的右后腔(f)两激光束不改变方向；
移动左支架11，使左支架11上第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)输出的平行激光束水平透过凹透镜组件(4)的左后腔(c)，由于左后腔(c)中为自来水，其折射率等于凹透镜组件(4)两侧自来水的折射率，透过凹透镜组件(4)的左中腔(b)两激光束不改变方向；
该演示表明，透镜折射率等于环境折射率时，凸透镜和凹透镜均没有会聚或发散作用。
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