CN112419852B - 一种光折射实验仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验器材领域，公开一种光折射实验仪器，包括开口向上设置的透明水箱，水箱上端面一侧竖直向上设置有一从上至下分布有不同颜色的色带板，在水箱底部设置有一防水摄像头，在水箱外壁设置有显示防水摄像头视角的显示器，防水摄像头通过防水升降机构实现升降，防水升降机构包括水箱底部设置的让位槽、自让位槽外边缘向上隆起的弹性密封层、于弹性密封层内固定设置的承接块以及驱使承接块升降的升降部，防水摄像头固定在弹性密封层外部且位于承接块的正上方，该仪器能够验证折射的存在以及水的深度对折射率存在影响。

Description

一种光折射实验仪器

技术领域

本发明涉及实验器材技术领域，具体为一种光折射实验仪器。

背景技术

现在各版本的初中物理教材中都有这样的内容：在水面外斜向下观察，看见的水（或水下的某物体）比实际的浅，并为常见考点之一。但因课本无实验，教师只好通过理论上的作图分析，说明从水下某物体反射出的光线在水面处经折射后，折射光线远离法线，折射光线进入人眼，于是人眼看见了物体。但因人眼的错觉，以为折射光线是从水下直射入人眼的，即人眼看见的虚像位于真实物体的上方。

如此理论上的描述确实让学生难于掌握，因此，迫切需要通过做实验增强感性认识来帮助理解。但现目前只有一个间接性的实验：

将一根筷子斜插在水中，可看到水中部分向上偏折，以此说明看起来变浅了。该实验存在三大缺点：一是不能直接通过实验证明：从水面外斜向下观察水下物体“看见的浅、实际的深”；二是实验方法较为平淡学生积极性不高，不能达到用实验吸引学生、培养兴趣的目的；三，无法从水下生物的视角验证折射的存在，即，水下生物看到的岸上的景的高度比实际高度高，也存在“虚高”现象。

发明内容

本发明的目的在于，利用摄像头代替水下生物的视角带领学生验证从水下看水上物体会出现“虚高”现象，通过摄像头的升降于水面高度差的变化验证水的深度与光线的折射率是呈正相关的现象。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种光折射实验仪器，包括开口向上设置的透明水箱，水箱上端面一侧竖直向上设置有一从上至下分布有不同颜色的色带板，在水箱底部设置有一防水摄像头，在水箱外壁设置有显示防水摄像头视角的显示器，防水摄像头通过防水升降机构实现升降，防水升降机构包括水箱底部设置的让位槽、自让位槽外边缘向上隆起的弹性密封层、于弹性密封层内固定设置的承接块以及驱使承接块升降的升降部，防水摄像头固定在弹性密封层外部且位于承接块的正上方。

进一步的，升降部包括与让位槽纵向穿插设置且上端与承接块下端转动配合的螺杆、固定在让位槽上的配合块、位于承接块和配合块之间的纵向导向机构以及驱使螺杆升降从而带动承接块升降的驱动部。

进一步的，配合块包括纵向设置的中心孔、于中心孔靠近承接块的一端固定设置的与螺杆配合的固定螺母以及于中心孔远离承接块的一端设置的与中心孔转动配合的从动齿轮，从动齿轮中心设置有与螺杆配合的螺纹槽。

进一步的，驱动部包括固定在水箱底部的电机、与电机轴固定设置且与从动齿轮啮合的主动齿轮。

进一步的，在防水升降机构上设置有在防水摄像头升降过程中驱使与防水摄像头连接的线路随动升降的过线机构，过线机构包括于弹性密封层和承接块上设置的通孔、于水箱底部竖直设置的导向板、于螺杆上纵向贯穿设置的让位过孔、外壁与让位过孔转动设置且底部延伸出螺杆下方的穿线管以及于穿线管外壁底部垂直延伸的与导向板竖直导向配合的导向块。

进一步的，防水摄像头包括摄像头组件和密封罩设于摄像头外部的透明防水罩，透明防水罩的底部密封固定在弹性密封层外部且位于承接块的正上方，透明防水罩底部中心设置有与通孔正对的穿线孔。

进一步的，在水箱外壁纵向设置有水位观察刻度。

进一步的，水箱外侧设置有缓冲进水部，缓冲进水部包括于水箱外壁向外延伸设置的进水槽以及于进水槽靠近水箱的一侧底部水平设置的与水箱底部连通的进水缝。

进一步的，在水箱底部于进水缝和防水摄像头之间竖直设置有上端面高于进水缝且两端与水箱内壁存在间隙的缓冲挡水板。

进一步的，在水箱底部或侧壁下端设置有排水管，排水管上设置有封堵或球阀。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、采用防水摄像头代替水下生物的视角，从显示器上直接显示防水摄像头从水下看到的景，并设置防水升降机构验证水的深度对折射率的影响，全过程通过显示器显示的色带板上的颜色位于色带板上的位置可以直接得到验证，非常直观，整个过程智能且充满趣味，能够促进学生对折射知识的掌握；

2、防水升降机构能够实现防水摄像头的线路在布设于水箱外部时确保防水摄像头能够精确、平稳的升降，防水摄像头和其线路不会产生进水损坏的状况；

3、过线机构的设置能够确保防水摄像头的线路在螺杆的转动过程中不发生扭转，确保线路的使用寿命；

4、缓冲进水部和缓冲挡水板的设置能显著降低水进入水箱时对防水摄像头的冲击力，并能够缩短水面平静的时间，从而缩短实验仪器的调试时间。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种光折射实验仪器的右视图；

图2是本发明的一种光折射实验仪器的主视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图3的B-B剖视图。

图中：1、水箱；2、支撑箱体；3、水位观察刻度；4、色带板；5、显示器；6、排水管；7、过流管；8、防水摄像头；81、透明防水罩；82、摄像头组件；9、进水槽；91、进水缝；10、缓冲挡水板；11、弹性密封层；12、承接块；13、导杆；14、螺杆；15、穿线管；16、配合块；17、固定螺母；18、从动齿轮；19、门；20、电机；21、主动齿轮；22、导向板；23、导向块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

实施例

一种光折射实验仪器，参照图1-图4所示，包括开口向上设置的透明水箱1，水箱1下端设置有支撑箱体2，支撑水箱1上铰接有一便于维修或维护的门19，水箱1上端面一侧竖直向上固定设置有一从上至下分布有不同颜色的色带板4，在水箱1底部设置有一防水摄像头8，在水箱1外壁设置有显示防水摄像头8视角的显示器，防水摄像头8通过防水升降机构实现升降。

为了便于观察防水摄像头与水面的高度差，在水箱1外壁纵向设置有水位观察刻度3。

为了避免进水时水的冲击力对摄像头的影响，水箱1外侧设置有缓冲进水部，缓冲进水部包括于水箱1外壁向外延伸设置的进水槽9以及于进水槽9靠近水箱1的一侧底部水平设置的与水箱1底部连通的进水缝91，进水槽9远离进水缝91的一侧设置成向进水缝91倾斜的斜面。在水箱1底部于进水缝91和防水摄像头8之间竖直设置有上端面高于进水缝91且两端与水箱1内壁存在间隙的缓冲挡水板10。

为了便于水的排出，在水箱1底部或侧壁下端设置有排水管6，排水管6上设置有封堵或球阀。同时，随着防水摄像头8的上升，防水升降机构的体积随之增加，故，在水箱1的最高水位线处设置有过流管7，过多的水会自过流管7排出，故，实验时，水位始终保持在最高水位线的高度。

防水摄像头8采用现有的防水摄像头8，具体结构可参照公布号为 CN109581788A的中国专利公开的一种全密封式恒压水下摄像头。防水摄像头8包括摄像头组件82和密封罩设于摄像头外部的透明防水罩81，透明防水罩81的底部用防水胶带密封固定在防水升降机构上方，防水胶带可采用品牌为英利达防水胶带。

防水升降机构包括水箱1底部设置的让位槽、自让位槽外边缘向上隆起的弹性密封层11、于弹性密封层11内固定设置的承接块12以及驱使承接块12升降的升降部，承接块12呈上端向下端之间增大趋势，该设计能够减少其升降时对水流的冲击力，能够使水面快速回复平静，弹性密封层11由橡胶制成，防水摄像头8固定在弹性密封层11外部且位于承接块12的正上方。

升降部包括与让位槽纵向穿插设置且上端与承接块12下端转动配合的螺杆14、固定在让位槽上的配合块16、位于承接块12和配合块16之间的纵向导向机构以及驱使螺杆14升降从而带动承接块12升降的驱动部。螺杆14与承接块12之间设置有轴承。

配合块16包括纵向设置的中心孔、于中心孔靠近承接块12的一端固定设置的与螺杆14配合的固定螺母17以及于中心孔远离承接块12的一端设置的与中心孔转动配合的从动齿轮18，从动齿轮18中心设置有与螺杆14配合的螺纹槽，从动齿轮18与中心孔之间设置有轴承。

纵向导向机构包括纵向设置的导杆13，导杆13的上端固定在承接块12的下端面，导杆13的下端与配合块16纵向穿插设置。

驱动部包括固定在水箱1底部的电机20、与电机20轴固定设置且与从动齿轮18啮合的主动齿轮21。通过电机20的转动驱使从动齿轮18转动，由于从动齿轮18处于转动状态，而固定螺母17处于固定状态，在导向机构作用下，丝杠处于升降运动，由于丝杠与承接块12转动配合，在导向机构作用下，承接块12只作升降运动而不会发生偏转。

为了防水摄像头8在升降过程中，防水性能始终保持优越状态，故，将其外部线路设置在水箱1之外且随着防水摄像头8进行同步升降。具体设置为，在防水升降机构上设置有在防水摄像头8升降过程中驱使与防水摄像头8连接的线路随动升降的过线机构，过线机构包括于弹性密封层11和承接块12上设置的通孔、于水箱1底部竖直设置的导向板22、于螺杆14上纵向贯穿设置的让位过孔、外壁与让位过孔转动设置且底部延伸出螺杆14下方的穿线管15以及于穿线管15外壁底部垂直延伸的与导向板22竖直导向配合的导向块23。透明防水罩81底部设置有与通孔正对的穿线孔。过线孔的孔径远远大于防水摄像头8的线路，当螺杆14处于转动时，防水摄像头8的线路处于静止状态。

实验原理：从水下看岸上的景时，由于在水下接受到的像是水面上的某物经过水面折射形成的，折射光线远离法线，而人的视线始终是一条直线，故，移位折射光线是从水上直射入眼的，即，人眼看到的虚像也是位于真实物体的上方，出现“虚高”现象。

为了验证该原理进行实验，以下为实验步骤：

1、水箱1为空时，且摄像头位于最低处，将摄像头对准色带板4上最低处的颜色，此时，从显示器上显示接受到的为最低处的颜色；

2、在水箱1内灌满水，此时，水位处于最高水位线，水面与摄像头的高度为最大，此时，显示器上显示的颜色为最上端的颜色，从这一步，即可验证从水下看到的岸上的物为“虚像”也存在“虚高”现象。

3、打开电机20，驱使防水摄像头8缓缓上升，每上升一定高度，就能看到颜色发生改变，随着防水摄像头8的上升，看到的颜色位于色带板4上的高度逐渐下降，从而验证，随着水面与防水摄像头8之间高度差的减小，折射率逐渐减小。

本发明的技术难点在于如何实现防水摄像头8的稳定升降以及确保防水摄像头8的线路在防水摄像头8长期反复升降过程中不进水损坏。故，本发明至少存在以下几点有益效果：

1、采用防水摄像头8代替水下生物的视角，从显示器5上直接显示防水摄像头8从水下看到的景，并设置防水升降机构验证水的深度对折射率的影响，全过程通过显示器5显示的色带板4上的颜色位于色带板4上的位置可以直接得到验证，非常直观，整个过程智能且充满趣味，能够促进学生对折射知识的掌握；

2、防水升降机构能够实现防水摄像头8的线路在布设于水箱1外部时确保防水摄像头8能够精确、平稳的升降，防水摄像头8和其线路不会产生进水损坏的状况；

3、过线机构的设置能够确保防水摄像头8的线路在螺杆14的转动过程中不发生扭转，确保线路的使用寿命；

4、缓冲进水部和缓冲挡水板10的设置能显著降低水进入水箱1时对防水摄像头8的冲击力，并能够缩短水面平静的时间，从而缩短实验仪器的调试时间。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光折射实验仪器，包括开口向上设置的透明水箱(1)，其特征在于：水箱(1)上端面一侧竖直向上设置有一从上至下分布有不同颜色的色带板(4)，在水箱(1)底部设置有一防水摄像头(8)，在水箱(1)外壁设置有显示防水摄像头(8)视角的显示器(5)，防水摄像头(8)通过防水升降机构实现升降，防水升降机构包括水箱(1)底部设置的让位槽、自让位槽外边缘向上隆起的弹性密封层(11)、于弹性密封层(11)内固定设置的承接块(12)以及驱使承接块(12)升降的升降部，防水摄像头(8)固定在弹性密封层(11)外部且位于承接块(12)的正上方。

2.根据权利要求1所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：升降部包括与让位槽纵向穿插设置且上端与承接块(12)下端转动配合的螺杆(14)、固定在让位槽上的配合块(16)、位于承接块(12)和配合块(16)之间的纵向导向机构以及驱使螺杆(14)升降从而带动承接块(12)升降的驱动部。

3.根据权利要求2所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：配合块(16)包括纵向设置的中心孔、于中心孔靠近承接块(12)的一端固定设置的与螺杆(14)配合的固定螺母(17)以及于中心孔远离承接块(12)的一端设置的与中心孔转动配合的从动齿轮(18)，从动齿轮(18)中心设置有与螺杆(14)配合的螺纹槽。

4.根据权利要求3所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：驱动部包括固定在水箱(1)底部的电机(20)、与电机轴固定设置且与从动齿轮(18)啮合的主动齿轮(21)。

5.根据权利要求4所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：在防水升降机构上设置有在防水摄像头(8)升降过程中驱使与防水摄像头(8)连接的线路随动升降的过线机构，过线机构包括于弹性密封层(11)和承接块(12)上设置的通孔、于水箱(1)底部竖直设置的导向板(22)、于螺杆(14)上纵向贯穿设置的让位过孔、外壁与让位过孔转动设置且底部延伸出螺杆(14)下方的穿线管(15)以及于穿线管(15)外壁底部垂直延伸的与导向板(22)竖直导向配合的导向块(23)。

6.根据权利要求5所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：防水摄像头(8)包括摄像头组件(82)和密封罩设于摄像头外部的透明防水罩(81)，透明防水罩(81)的底部密封固定在弹性密封层(11)外部且位于承接块(12)的正上方，透明防水罩(81)底部中心设置有与通孔正对的穿线孔。

7.根据权利要求1所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：在水箱(1)外壁纵向设置有水位观察刻度(3)。

8.根据权利要求1所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：水箱(1)外侧设置有缓冲进水部，缓冲进水部包括于水箱(1)外壁向外延伸设置的进水槽(9)以及于进水槽(9)靠近水箱(1)的一侧底部水平设置的与水箱(1)底部连通的进水缝(91)。

9.根据权利要求8所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：在水箱(1)底部于进水缝(91)和防水摄像头(8)之间竖直设置有上端面高于进水缝(91)且两端与水箱(1)内壁存在间隙的缓冲挡水板(10)。

10.根据权利要求1所述的一种光折射实验仪器，其特征在于：在水箱(1)底部或侧壁下端设置有排水管(6)，排水管(6)上设置有封堵或球阀。

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