CN204808723U - 凸透镜成像实验演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种凸透镜成像实验演示装置，演示装置包括：光具座；LED光源板，固定有能区分上、下、左、右的形状或颜色或形状及颜色的光源体，光屏；凸透镜，位于光屏与LED光源板之间，且三者的水平中心线在同一条直线上；红外线传感器，设置于凸透镜处，用以测量物距及像距；以及数据处理器，接收红外线传感器的测量结果并进行数据处理，以获取凸透镜的焦距，并实时显示物距、像距以及焦距之间的关系。本实用新型提供的凸透镜成像实验演示装置，可以解决现有技术中成像清晰度不易判断、光源亮度不稳定、像的上、下或左、右不易识别以及寻找物距与像距之间的关系花费过多时间等问题。

Description

凸透镜成像实验演示装置

技术领域

本实用新型关于一种光学实验演示装置，尤其涉及一种凸透镜成像实验演示装置及方法。

背景技术

凸透镜成像规律实验是中学教材中重要物理实验，在课堂中顺利探究该实验显得非常重要。凸透镜成像规律实验目的是通过借助特定的教学设备引导学生认知凸透镜的成像规律。完成凸透镜成像规律实验所需的教学设备主要包括基座、凸透镜、光源和光屏等部件。实验时，在凸透镜的两侧分别放置光源和光屏，通过移动光源或光屏相对于凸透镜的距离，使得光源在光屏上成清晰的像。

但是，在实验中会存在以下问题：为了寻找在光屏上清晰的像，不知道如何移动光屏，存在一定的盲目性，花费较多探究时间，同时在寻找物距与像距之间的关系用去较多探究时间，若能设计一个能直接显示物距、像距的大小并正确表明两者之间关系的仪器，就可节约实验探究时间。

另外，如何判断在光屏上像的清晰度，也存在一定盲目性。目前在教学中，所用光源通常为蜡烛，但以蜡烛为光源存在较多的缺陷。例如蜡烛烛焰裸露在空气中，易受气流影响而晃动，光源稳定性差，导致烛焰和烛焰的像的高度不便于测量；随着蜡烛的燃烧，蜡烛的高度在减小，烛焰的像随之往上移动，成像高度测量不稳定；使用蜡烛作为光源时，最清晰的像的位置不易确定。还例如，使用蜡烛进行实验，具有一定的不安全性；蜡烛燃烧产生的气体和冒出的黑烟，让实验者感觉不舒服；滴下来的蜡不便于清理，易污染放置光源。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的之一在于提供一种凸透镜成像实验演示装置及演示方法，以解决现有技术中成像清晰度不易判断、光源亮度不稳定、像的上、下或左、右不易识别以及寻找物距与像距之间的关系花费过多时间等问题。

为达上述目的，本实用新型提供一种凸透镜成像实验演示装置，该凸透镜成像实验演示装置包括：光具座；LED光源板，设置于该光具座上，该LED光源板上固定有由复数个LED所组成的光源体，该光源体具有能区分上、下、左、右的形状或颜色或形状及颜色；光屏，设置于该光具座上；凸透镜，设置于该光具座上，且该凸透镜位于该光屏与该LED光源板之间，该凸透镜、该光屏以及该LED光源板的水平中心线在同一条直线上；红外线传感器，设置于该凸透镜处，该红外线传感器用以测量该凸透镜与该LED光源板之间的距离以及该凸透镜与该光屏之间的距离；以及数据处理器，耦接于该红外线传感器，接收该红外线传感器的测量结果并进行数据处理，以获取该凸透镜的焦距，并实时显示该凸透镜与该LED光源板之间的距离、该凸透镜与该光屏之间的距离以及该焦距之间的关系。

作为可选的技术方案，该光源体为“6”字形光源，且该“6”字形光源的闭合部分与非闭合部分的颜色相异。

作为可选的技术方案，该光具座上设有轨道，该轨道上设置有沿该轨道滑动的光屏支座、凸透镜支座和光源支座，该光屏支座与该光屏相联接，该凸透镜支座与该凸透镜相联接，该光源支座与该LED光源板相联接。

作为可选的技术方案，该数据处理器上具有显示屏幕；或者该数据处理器与该显示屏幕耦接，该显示屏幕用以显示该焦距以及显示该凸透镜与该LED光源板之间的距离、该凸透镜与该光屏之间的距离以及该焦距之间的关系。

作为可选的技术方案，该红外线传感器固定于该凸透镜上或固定于安装该凸透镜的凸透镜支座上。

本实用新型还提供一种凸透镜成像实验演示方法，该演示方法包括:步骤S1，提供如权利要求1-5中任意一项所述的凸透镜成像实验演示装置；步骤S2，调整该LED光源板使其位于该光具座的第一位置，开启该LED光源板上的光源体，移动该光屏至该光屏上出现清晰的像，该红外线传感器测量获取该凸透镜与该LED光源板之间的第一距离以及该凸透镜与该光屏之间的第二距离，该数据处理器接收该第一距离以及该第二距离以获取该凸透镜的该第一焦距；以及步骤S3，移动该LED光源板使其位于该光具座的第二位置，并移动该光屏，调整该凸透镜与该LED光源板之间的距离以及该凸透镜与该光屏之间的距离，该数据处理器接收该红外线传感器实时测量的该凸透镜与该LED光源板之间的距离以及该凸透镜与该光屏之间的距离，并实时显示该凸透镜与该LED光源板之间的距离、该凸透镜与该光屏之间的距离以及该第一焦距之间的关系。

作为可选的技术方案，该演示方法还包括：于该步骤S3中移动该光屏至该光屏上出现清晰的像，该红外线传感器测量获取该凸透镜与该LED光源板之间具有第三距离以及该凸透镜与该光屏之间具有第四距离，该数据处理器接收该第三距离以及该第四距离以获取该凸透镜的该第二焦距；以及比较并判断该第一焦距是否等于第二焦距，若是，则表示该步骤S2和该步骤S3中该光屏上出现的清晰的像确为清晰的像；若否，则表示该步骤S2和该步骤S3中该光屏上出现的清晰的像的至少其中之一为不清晰的像。

与现有技术相比，本实用新型的通过发光二极管作为光源，相比蜡烛的火焰更为稳定、明亮、无污染，使凸透镜成在光屏上的像更为清晰稳定，实验可见度大。而且光源体的结构所成像的倒立、正立通过颜色的区别更为明显、直观，更能帮助学生理解凸透镜所呈的实像是“倒立”的。而且发光二极管不会因为发光变短导致光源位置偏离，因此在实验过程中只需要一次调整光源板、凸透镜和光屏三者中心在同一个高度，节省实验时间，提高实验效率。另外，本实用新型引入了红外线传感器测量距离，实现实时测定物距、像距和焦距大小的功能；并根据凸透镜焦距为一定值的特点，物距像距关系明确从而减少实验的盲目性，为同学们能快速寻找出凸透镜成像规律，提高了课堂教学效率。

关于本实用新型的优点与精神可以藉由以下的实用新型详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的立体示意图；

图2所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的部分结构示意图；

图3所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的LED光源板的示意图；

图4所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示方法的流程示意图。

具体实施方式

请参见图1和图2，图1所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的立体示意图，图2所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的部分结构示意图，本实用新型提供一种凸透镜成像实验演示装置，包括：光具座1、LED光源板2、光屏3、凸透镜4、红外线传感器5及数据处理器6，其中LED光源板2、光屏3以及凸透镜4均设置于光具座1上。

LED光源板2上固定有由复数个LED所组成的光源体22，光源体22具有能区分上、下、左、右的形状或颜色或形状及颜色。请参见图3，图3所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示装置的LED光源板的示意图，其中本实施方式中，例如光源体22为“6”字形光源，且该“6”字形光源的闭合部分221与非闭合部分222的颜色相异。具体的例如闭合部分221为红的LED光源，非闭合部分222为黄的LED光源。如此，上下两种颜色“LED光源”能证明物像的上、下之间倒立关系，“6”字形缺口能用来说明物像的左、右之间关系。“6”字形光源成实像时为“9”字，当每一盏LED光源灯经过凸透镜4在光屏3上出现最小的亮点时，像为最清晰像。不过，光源体的具体形状或颜色或形状与颜色并不以上述为限。

凸透镜4位于光屏3与LED光源板2之间，凸透镜4、光屏3以及LED光源板2的水平中心线在同一条直线上，确保只在水平方向上移动光屏3和LED光源板4即可获得光源的像。

红外线传感器5设置于凸透镜4处，红外线传感器5用以测量凸透镜4与LED光源板2之间的距离以及凸透镜4与光屏3之间的距离。其中，本实用新型由于采用红外传感器5来测量距离，所以不必须要设置标尺，但并实用新型并不以此为限，另一实施方式中，也可以于光具座1上设置与轨道8平行的标尺，便于使用者在调整凸透镜4与LED光源板2之间的距离以及凸透镜4与光屏3之间的距离时用作初步估计。

数据处理器6耦接于红外线传感器5，接收红外线传感器5的测量结果并进行数据处理，以获取凸透镜4的焦距，并实时显示凸透镜4与LED光源板2之间的距离、凸透镜4与光屏3之间的距离以及凸透镜的焦距之间的关系。其中，上述凸透镜4与LED光源板2之间的距离即为物距，上述凸透镜4与光屏3之间的距离即为像距，如此，可以根据不同的物距，正确判定像距数值变化范围。而数据处理器6例如采用单片机来实现数据处理与控制。

另外，如图1所示，光具座1上设有轨道8，轨道8上设置有沿轨道8滑动的光屏支座13、凸透镜支座14和光源支座12，光屏支座13与光屏3相联接，凸透镜支座14与凸透镜4相联接，光源支座12与LED光源板2相联接。其中，红外线传感器5例如固定于凸透镜4上或固定于安装凸透镜4的凸透镜支座14上。

而且，数据处理器6上还具有显示屏幕；或者数据处理器6与显示屏幕耦接，数据处理器6会将相关数据信息传输至显示屏幕。显示屏幕用以显示焦距以及显示凸透镜4与LED光源板2之间的距离、凸透镜4与光屏3之间的距离以及凸透镜的焦距之间的关系。

另外，光具座1上还设置有与光源体22形成通电回路的电源组、开关和导线。其中电源、开关、导线和光源构成闭合回路，开关控制光源体22的开启或关闭。在实施凸透镜成像实验前，接通开关，光源体22开启，通过滑动光源支座12和光屏支座13来改变光屏13和LED光源板2相对于凸透镜4的距离，在光屏3上获得光源的清晰的像，通过红外线传感器5获取LED光源板2与凸透镜4之间的距离以及凸透镜4与光屏3之间的距离，得出凸透镜4的成像规律。

请参见图4，图4所示为根据本实用新型的凸透镜成像实验演示方法的流程示意图一种凸透镜成像实验演示方法，该演示方法包括:

步骤S1，提供如上所述的凸透镜成像实验演示装置；

步骤S2，调整LED光源板使其位于光具座的第一位置，开启LED光源板上的光源体，移动光屏至光屏上出现清晰的像，红外线传感器测量获取凸透镜与LED光源板之间的第一距离以及凸透镜与光屏之间的第二距离，数据处理器接收第一距离以及第二距离以获取凸透镜的第一焦距；

步骤S3，移动LED光源板使其位于光具座的第二位置，并移动光屏，调整凸透镜与LED光源板之间的距离以及凸透镜与光屏之间的距离，数据处理器接收红外线传感器实时测量的凸透镜与LED光源板之间的距离以及凸透镜与光屏之间的距离，并实时显示凸透镜与LED光源板之间的距离、凸透镜与光屏之间的距离以及第一焦距之间的关系。

另外，上述凸透镜成像实验演示方法还包括：于步骤S3中移动光屏至光屏上出现清晰的像，红外线传感器测量获取凸透镜与LED光源板之间具有第三距离以及凸透镜与光屏之间具有第四距离，数据处理器接收第三距离以及第四距离以获取凸透镜的第二焦距；以及，比较并判断第一焦距是否等于第二焦距，若是，则表示步骤S2和步骤S3中光屏上出现的清晰的像确为清晰的像；若否，则表示步骤S2和步骤S3中光屏上出现的清晰的像的至少其中之一为不清晰的像。

具体的，上述凸透镜成像实验演示方法可操作如下：

（1）将LED光源板、凸透镜、光屏放在光具座上，调整三者的水平中心线在同一直线上或同一高度上；

（2）测量凸透镜的焦距：将LED光源板放在光具座上的恰当位置（如上述第一位置），接通LED光源板上的光源体，移动光屏至光屏上出现清晰的像，按下数据处理器的开关M1，数据处理器就显示出凸透镜的焦距，测出了凸透镜的焦距；其中上述凸透镜的焦距是数据处理器根据红外传感器测量的凸透镜与LED光源板之间的第一距离以及凸透镜与光屏之间的第二距离演算得出。

（3）探究凸透镜成像规律：按下数据处理器开关M2，再次移动LED光源板至另一恰当的位置（如上述第二位置），数据处理器会实时显示凸透镜与LED光源板之间的距离（即物距U）、凸透镜与光屏之间的距离（即像距V）以及凸透镜的焦距ｆ的关系，即显示凸透镜的成像规律，再移动光屏至光屏上出现清晰的像（例如ｆ=10cm,当U=30cm，数据处理器的显示屏幕能显示U＞2ｆ，ｆ＜V＜2ｆ，然后在ｆ＜V＜2ｆ范围内移动光屏至光屏上出现清晰的像）。也就是说，数据处理器根据U、ｆ的大小自动演算U、V与ｆ的关系，利用这一原理能减少实验的盲目性，缩短探究凸透镜成像实验所用时间，因此在探究凸透镜成像实验的活动中能快速寻找出凸透镜成像规律，提高了课堂学习效率。

（4）验证前述成像是否是清晰的像：在第（3）步基础上，再按下数据处理器开关M2，若像是清晰的数据处理器显示出的凸透镜的焦距应等于第（2）步测得的凸透镜的焦距，这为成像的清晰与否提供了判定依据。数据处理器根据U、V的大小自动演算ｆ的大小，由于凸透镜的焦距是一定值，在不同U值时，只有在移动像距V值让ｆ值逼近这一定值，凸透镜成像实验操作才是正确的。

综上所述，本实用新型通过发光二极管作为光源，相比蜡烛的火焰更为稳定、明亮、无污染，使凸透镜成在光屏上的像更为清晰稳定，实验可见度大。而且光源体的结构所成像的倒立、正立通过颜色的区别更为明显、直观，更能帮助学生理解凸透镜所呈的实像是“倒立”的。而且发光二极管不会因为发光变短导致光源位置偏离，因此在实验过程中只需要一次调整光源板、凸透镜和光屏三者中心在同一个高度，节省实验时间，提高实验效率。另外，本实用新型引入了红外线传感器测量距离，实现实时测定物距、像距和焦距大小的功能；并根据凸透镜焦距为一定值的特点，物距像距关系明确从而减少实验的盲目性，为同学们能快速寻找出凸透镜成像规律，提高了课堂教学效率。

藉由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本实用新型的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本实用新型的保护范围加以限制。本实用新型所申请的权利要求的保护范围应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (5)

1.一种凸透镜成像实验演示装置，其特征在于该凸透镜成像实验演示装置包括：

光具座；

LED光源板，设置于该光具座上，该LED光源板上固定有由复数个LED所组成的光源体，该光源体具有能区分上、下、左、右的形状或颜色或形状及颜色；

光屏，设置于该光具座上；

凸透镜，设置于该光具座上，且该凸透镜位于该光屏与该LED光源板之间，该凸透镜、该光屏以及该LED光源板的水平中心线在同一条直线上；

红外线传感器，设置于该凸透镜处，该红外线传感器用以测量该凸透镜与该LED光源板之间的距离以及该凸透镜与该光屏之间的距离；

数据处理器，耦接于该红外线传感器，接收该红外线传感器的测量结果并进行数据处理，以获取该凸透镜的焦距，并实时显示该凸透镜与该LED光源板之间的距离、该凸透镜与该光屏之间的距离以及该焦距之间的关系。

2.如权利要求1所述的凸透镜成像实验演示装置，其特征在于该光源体为“6”字形光源，且该“6”字形光源的闭合部分与非闭合部分的颜色相异。

3.如权利要求1所述的凸透镜成像实验演示装置，其特征在于该光具座上设有轨道，该轨道上设置有沿该轨道滑动的光屏支座、凸透镜支座和光源支座，该光屏支座与该光屏相联接，该凸透镜支座与该凸透镜相联接，该光源支座与该LED光源板相联接。

4.如权利要求1所述的凸透镜成像实验演示装置，其特征在于该数据处理器上具有显示屏幕；或者该数据处理器与该显示屏幕耦接，该显示屏幕用以显示该焦距以及显示该凸透镜与该LED光源板之间的距离、该凸透镜与该光屏之间的距离以及该焦距之间的关系。

5.如权利要求1所述的凸透镜成像实验演示装置，其特征在于该红外线传感器固定于该凸透镜上或固定于安装该凸透镜的凸透镜支座上。