CN110364063A - 一种多功能几何光学演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多功能几何光学演示仪，其包括一个长方形水槽、两个马蹄形的透明容器、一个长方形支架、三只激光笔、一个激光电源、一个长方形挡板、一台烟雾机；在长方体水槽内放置两个马蹄形的透明容器；两个马蹄形容器分别放置在长方体水槽内两端，且其凸起半圆形部分相对，马蹄形透明容器放置在长方体水槽内不同的介质中；在长方体水槽前外侧放置一长方形支架；长方形支架上有三个等间距的圆孔，其支架上可插入三只激光笔，激光笔分别同时连接激光电源；长方形水槽上方放置一透明挡板，所述烟雾机产生充当光的传播介质的烟雾。本发明能够同时允许多人参与演示几何光学有关的实验，具有较强的互动性、趣味性。

Description

一种多功能几何光学演示仪

技术领域

本发明属于光学仪器技术领域，具体为一种多功能几何光学演示仪，其适用于大型大学物理实验教学，其能够利用透镜可以演示光的传播途径的实验装置。

背景技术

几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。因此，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。以往学生仅依赖课堂图形演示和自身的想象力，使得他们较难理解,因此，研发一款装置简单、现象直观、稳定性好、功能丰富的教学仪器有利于让学生们更好的理解光线的传播所遵循三条基本定律,能明显直接的观察,能亲自操作实验过程,这样更利于激发学生的学习兴趣,提高学生的动手能力。

现有演示凸透镜的对光的会聚作用以及凹透镜对光的发散作用所需要的透镜一般是玻璃制作的，形状单一，功能单一且易碎，而且小型化，观察范围窄等特点，非常不适合锻炼学生的动手能力和创新能力。

发明内容

基于现有技术中存在的技术难题，本发明提供一种大型多功能几何光学演示仪，其既可以在教室又可以在科技馆等大型场所演示凸透镜对光的会聚作用、凹透镜对光的发散作用以及镜面对光的反射作用等相关知识，

依据本发明的技术方案，提供一种多功能几何光学演示仪，其包括1个长方形水槽、两个马蹄形的透明容器、一个长方形支架、三只激光笔、一个激光电源、一个长方形挡板、一个烟雾机以及需要填充在长方形水槽中的墨水或茶叶水；在长方体水槽内放置两个马蹄形的透明容器；两个马蹄形容器分别放置在长方体水槽内两端，且其凸起半圆形部分相对，马蹄形透明容器放置在长方体水槽内不同的介质中；在长方体水槽前外侧放置一长方形支架；长方形支架上有三个等间距的圆孔，其支架上可插入三只激光笔，激光笔分别同时连接激光电源；长方形水槽上方放置一透明挡板，所述烟雾机产生充当光的传播介质的烟雾。

优选地，所述长方形水槽为透明亚克力制作的长方体，空心且无上盖，其长为81CM、宽6.5CM、高15CM、厚5MM，里面可添加有色液体或烟雾。

优选地，所述透明容器为亚克力制作的空心容器，且无上盖，最长距离15CM、宽5.2CM、高15CM、厚5MM，透明容器侧面弯曲部分充当凸透镜或凹透镜，透镜部分中透镜的焦距为6.06CM，半径为7.5CM。

优选地，长方形支架采用3D打印机技术，安放在长方形水槽窄边外侧，其长3CM、宽2.5CM、高13CM、厚5MM，所述等间距圆孔的孔直径为12MM。

优选地，长方形透明玻璃盖长81cm、宽6.6cm、厚2mm，能完全遮盖住长方形水槽。进一步地，激光笔的功率均为10mW，能明显透过有色液体，展示几何光学的传播特性。

优选地，长方形水槽上方放置一透明挡板。所述的多功能几何光学演示仪进一步包括有电动烟雾机，所述电动烟雾机的功率为400W且能够充电喷出烟雾。所述介质为在长方体水槽填充的茶叶水或墨水，所述介质能明显展示光的各种传播路径。

现对于现有技术，本发明仪器尺寸较大，可以允许多人同时操作观察,可以在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。同时本发明仪器可以演示多种光学现象，演示内容丰富，互动性强。作为教学仪器具有较好的教学效果，作为科普仪器具有较强的科普性。本发明现象明显直观，将极大提高学生学习的积极性。同时，作为一种科普仪器，极大提高市民对于科技的了解。因此，本仪器即具有良好的教学效果，又体现出了较佳的社会效益。

进一步地，该实验仪器优点就在于可视化大型化，且安全性能好，克服了以往用于演示凸透镜对光的会聚作用以及凹透镜对光的发散作用所需要的透镜一般是玻璃制作的，形状单一，功能单一且易碎且小型化，观察范围窄等特点，本发明光学演示仪非常适合锻炼学生的动手能力和创新能力。

此外，本发明利用亚克力板设计的光学演示仪，其具有设计简洁、成本低、重量轻、透光率高等优点。

附图说明

图1为依据本发明的光学演示仪的第一主体结构示意图。

图2为依据本发明的光学演示仪的第二主体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明仪器中的附图，对本发明仪器实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明仪器中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

图1为本发明的大型多功能几何光学演示仪第一主体结构示意图；图2为本发明的大型多功能几何光学演示仪第二主体结构示意图。

附图标示具体如下：101为透明的长方体水槽、102和103为两个马蹄形的透明容器、104为长方形支架、105，106及107为三只激光笔、108为激光电源、109为一透明挡板、110为电动烟雾机以及墨水或茶叶水等有色液体。图2所标示使用的仪器同图1的一样，只是实验操作中两个马蹄形容器放置的位置不同，实验过程中可标注为201为透明的长方体水槽、202和203为两个马蹄形的透明容器、204为长方形支架、205，206及207为三只激光笔、208为激光电源、209为一透明挡板、210为电动烟雾机。

本发明的大型多功能几何光学演示仪，在透明的长方体水槽内放置两个马蹄形的透明容器，其可作为凸透镜使用也可作为凹透镜使用，它可放置在水槽不同的介质中。在长方体水槽前外侧放置一长方形支架，其支架上可插入三只激光笔，同时连接激光电源，其作为光源使用。长方形水槽上方放置一透明挡板。同时备有充当光的传播介质的烟雾机以及墨水或茶叶水等有色液体。

如图1-图2所示，一种多功能几何光学演示仪，其包括一个长方形水槽、两个马蹄形的透明容器、一个长方形支架、三只激光笔、一个激光电源、一个长方形挡板、一台烟雾机；在长方体水槽内放置两个马蹄形的透明容器；两个马蹄形容器分别放置在长方体水槽内两端，且其凸起半圆形部分相对，马蹄形透明容器放置在长方体水槽内不同的介质中；在长方体水槽前外侧放置一长方形支架；长方形支架上有三个等间距的圆孔，其支架上可插入三只激光笔，激光笔分别同时连接激光电源；长方形水槽上方放置一透明挡板，所述烟雾机产生充当光的传播介质的烟雾。

其中，所述长方形水槽为透明亚克力制作的长方体，空心且无上盖，其长为81CM、宽6.5CM、高15CM、厚5MM，里面可添加有色液体或烟雾。所述两个马蹄形透明容器为亚克力制作的空心容器，且无上盖，最长距离15CM、宽5.2CM、高15CM、厚5MM，透明容器侧面弯曲部分充当凸透镜或凹透镜，透镜部分中透镜的焦距为6.06CM，半径为7.5CM。长方形支架采用3D打印机技术，安放在长方形水槽窄边外侧，其长3cm、宽2.5cm、高13cm、厚5mm，所述等间距圆孔的孔直径为12mm。

进一步地，长方形透明玻璃盖长81cm、宽6.6cm、厚2mm，能完全遮盖住长方形水槽。激光笔的功率均为10mW，能明显透过有色液体，展示几何光学的传播特性。

所述多功能几何光学演示仪进一步包括有电动烟雾机，所述电动烟雾机的功率为400W且能够充电喷出烟雾，在光的传播中充当介质，发生光传播等现象。优选地，所述介质为在长方体水槽填充的茶叶水或墨水，所述介质能明显展示光的各种传播路径。

使用图1、图2所示的光学演示仪，可以进行下述技术方案的操作。

技术方案一：演示凸透镜对光的会聚作用。

1.观察凸透镜对光的会聚作用。两只马蹄形容器中注入茶叶水，平面部分相对置于长方体两侧,并且半圆形凸面相对,其充当凸透镜。长方体的其余部分用烟雾机喷入少量烟雾，盖上盖子，防止烟雾散去。三只红色电筒激光器与电源连接，调节激光束方向及光斑大小，使光束平行于长方体一侧界面入射，注意使中间激光器发出的光经过马蹄形容器的中心，观察光线的传播。光源发出的平行光束经过第一个凸透镜后，会聚到透镜的焦点处；而后经过透镜焦点的光束通过第二个凸透镜，又恢复成平行光束。

技术方案二：演示凹透镜对光的发散作用。

2.观察凹透镜对光的发散作用。长方体水槽中注入茶叶水，水面高度接近容器高度的2/3即可。两只空马蹄形凸面部分相对置于长方体容器中并且凸面相对。两只马蹄形容器中用烟雾机喷入一定量烟雾，盖上盖子，防止烟雾散去。三只红色电筒激光器与电源连接，调节激光束方向及光斑大小，使光束平行于长方体一侧界面入射，注意使中间激光器发出的光经过马蹄形容器的中心，观察光线的传播。观察凹透镜对光的发散作用实验中，两只马蹄形容器中间的液体部分相当于凹透镜，平行光束入射到凹透镜后会发散，因此平行光束通过凹透镜后，形成发散光束。

技术方案三：演示透镜侧面对光的反射作用。

当用凸透镜演示对光的会聚作用以及用凹透镜对光的发散作用的时候，透镜侧面都会观察到镜面对光的反射作用。

更具体地，如图1-2所示，本发明光学演示仪主要长方型水槽、马蹄形透镜，激光笔支架，激光笔，电源，电动烟雾机组成。本发明仪器所使用的透明容器都是用亚克力板，其设计简洁、成本低、重量轻、透光率高等优点。仪器的具体尺寸为长方形水槽，长为81CM、宽6.5CM、高15CM、厚5MM。马蹄形容器最长距离15CM，宽5.2CM，高15CM、厚5MM，其中透镜部分中透镜的焦距为6.06CM，半径为7.5CM。长方形透明玻璃盖，长81CM，宽6.6CM，厚2MM。长方形支架，其长3CM、宽2.5CM、高13CM，厚5MM。长方形支架上有三个等间距的圆孔，其支架上可插入三只激光笔功率均为10mW，同时连接激光电源，功率为400W。长方形水槽上方放置一透明挡板，为透明的亚克力制作的薄板，其长81CM，宽6.6CM，厚2MM。同时备有充当光的传播介质的烟雾机功率为400W以及墨水或茶叶水等有色液体，其浓度可自行调节搭配。使用图1、图2所示的光学演示仪，进行上述技术方案一、技术方案二、技术方案三的具体操作步骤如下：

演示凸透镜对光的会聚作用的具体操作步骤：使用图1所示的101-110部分元件。具体操作：

第一步，先把长方形水槽101透明的亚克力制作的长方体，空心且无上盖，其长为81CM、宽6.5CM、高15CM、厚5MM放置在平整光滑的桌面上，以保证实验过程中所有的光路在同一水平线上。

第二步，把两只马蹄形容器102、103透明的亚克力制作的空心容器，且无上盖，最长距离15CM，宽5.2CM，高15CM、厚5MM，透镜部分中透镜的焦距为6.06CM，半径为7.5CM分别放置在水槽内壁两侧，并且凸起的透镜部分相对。

第三步，在两只马蹄形容器102、103中分别注入相同浓度的茶叶水或黑色墨水，液体浓度可自己调节稀释，其液体高度不要没过容器即可。

第四步，在长方体容器101的其余部分用烟雾机110功率为400W喷入少量烟雾，盖上透明挡板109透明的亚克力制作的薄板，其长81CM，宽6.6CM，厚2MM，防止烟雾散去。

第五步，把三支激光笔105、106、107功率均为10mW插入激光笔支架104采用3D打印机技术，其长3CM、宽2.5CM、高13CM，厚5MM，支架上有三个等间距的圆孔，孔直径为12MM上并打开激光器电源108功率为400W。

第六步，调节激光束105、106、1077方向及光斑大小，使光束平行于长方体101一侧界面入射，注意使中间激光器发出的光经过马蹄形容器的中心。

第七步,观察三条入射光线的直线传播途径。其他两束光源发出的平行光束经过第一个凸透镜后，会聚到透镜的焦点处；而后经过透镜焦点的光束通过第二个凸透镜，又恢复成平行光束。

与以往用于演示凸透镜对光的会聚作用的玻璃制作的透镜相比，该实验仪器演示的凸透镜对光的会聚作用优点在于利用了亚克力板这种材质做成的透镜，新型仪器设计简单，演示内容丰富，现象明显直观，可视化大型化，且安全性能好等特点，非常适合锻炼学生的动手能力和创新能力。

演示凹透镜对光的发散作用的具体操作步骤：如图2所示，使用图2所示的201-210部分元件。具体操作：

第一步，把长方形水槽201透明的亚克力制作的长方体，放置在平整光滑的桌面上，以保证所有的光路在同一水平线上。

第二步，长方体水槽201中注入茶叶水，水面高度接近长方形水槽容器高度的2/3即可。

第三步，把两只空马蹄形容器202、203相对置于长方体容器中间位置并且凸面相对。

第四步，在两只马蹄形容器202、203中用烟雾机210喷入一定量烟雾，盖上盖子209，防止烟雾散去。

第五步，把三只红色电筒激光器205、206、207插入激光笔支架204上并且与电源208连接，把支架204放置在水槽窄外侧部分。

第六步，调节激光束方向及光斑大小，使光束平行于长方体一侧界面入射，注意使中间激光器发出的光经过马蹄形容器的中心，观察光线的直线传播。

其中另外两束光源分别平行于中间光束照射，观察凹透镜对光的发散作用实验中，两只马蹄形容器中间的液体部分相当于凹透镜，平行光束入射到凹透镜后会发散，因此平行光束通过凹透镜后，形成发散光束。当通过第二个马蹄形容器时，依然观察到发散的光束。

演示透镜侧面对光的反射作用的具体操作步骤：当用凸透镜演示对光的会聚作用以及用凹透镜对光的发散作用的时候，我们都会观察到透镜侧面对光的反射作用。

本发明仪器能够同时允许多人参与演示几何光学有关的实验，具有较强的互动性、趣味性，而且本发明仪器设计简单，演示内容丰富，现象明显直观，将极大提高学生学习的积极性。同时，作为一种科普仪器，极大提高市民对于科技的了解。

以上所述，仅为本发明仪器的具体实施方式，但本发明仪器的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (9)

1.一种多功能几何光学演示仪，其特征在于：其包括1个长方形水槽、两个马蹄形的透明容器、一个长方形支架、三只激光笔、一个激光电源、一个长方形挡板、一个烟雾机以及需要填充在长方形水槽中的墨水或茶叶水；在长方体水槽内放置两个马蹄形的透明容器；两个马蹄形容器分别放置在长方体水槽内两端，且其凸起半圆形部分相对，马蹄形透明容器放置在长方体水槽内不同的介质中；在长方体水槽前外侧放置一长方形支架；长方形支架上有三个等间距的圆孔，其支架上可插入三只激光笔，激光笔分别同时连接激光电源；长方形水槽上方放置一透明挡板，所述烟雾机产生充当光的传播介质的烟雾。

2.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，所述长方形水槽为透明亚克力制作的长方体，空心且无上盖，其长为81CM、宽6.5CM、高15CM、厚5MM，里面可添加有色液体或烟雾。

3.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，所述透明容器为亚克力制作的空心容器，且无上盖，最长距离15CM、宽5.2CM、高15CM、厚5MM，透明容器侧面弯曲部分充当凸透镜或凹透镜，透镜部分中透镜的焦距为6.06CM，半径为7.5CM。

4.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，长方形支架采用3D打印机技术，安放在长方形水槽窄边外侧，其长3CM、宽2.5CM、高13CM、厚5MM，所述等间距圆孔的孔直径为12MM。

5.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，长方形透明玻璃盖长81cm、宽6.6cm、厚2mm，能完全遮盖住长方形水槽。

6.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，激光笔的功率均为10mW，能明显透过有色液体，展示几何光学的传播特性。

7.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，长方形水槽上方放置一透明挡板。

8.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，进一步包括有电动烟雾机，所述电动烟雾机的功率为400W且能够充电喷出烟雾。

9.根据权利要求1所述的多功能几何光学演示仪，其特征在于，所述介质为在长方体水槽填充的茶叶水或墨水，所述介质能明显展示光的各种传播路径。