CN213601464U - 一种基于光场投屏的波动光学教学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光场投屏的波动光学教学装置，包括安装平台，安装平台上设有波动光学实验模组和投影模组；所述波动光学实验模组包括彩色激光器，彩色激光器的前方设有第一实验转盘，第一实验转盘上设有多个环形分布的第一实验片；所述第一实验转盘的前方设有第一反射镜，第一反射镜的一侧设有第二反射镜，第二反射镜的一侧设有第二实验转盘，第二实验转盘上环形设有多个第二实验片；所述第二实验转盘的前方设有第三反射镜,第三反射镜的一侧设有分束棱镜；所述投影模组包括投影镜头，且投影镜头位于分束棱镜的前方。本实用新型无需费时费力进行光路调节即可投影演示多个波动光学实验，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

Description

一种基于光场投屏的波动光学教学装置

技术领域

本实用新型涉及教学器具技术领域，具体涉及一种基于光场投屏的波动光学教学装置。

背景技术

光是一种电磁波，它具有波粒二象性。波动光学理论的研究加深了人们对光的本质的认识，对实际的生产和应用具有较强的指导作用。然而，波动光学的教学内容较为复杂抽象，学生在学习过程中常常感到困难，而教师在课堂讲授时，重点一般也在于概念阐述和理论推导，有时会辅以简略的图片说明，但是这些教学手段难以使学生对波动光学知识建立深刻的理解，容易使学生感到枯燥乏味。

近年来，随着计算机技术的迅速发展和高校中多媒体教室的普及，使得仿真实验广泛进入课堂成为了可能。应用仿真技术开发虚拟光学实验软件可以在理论教学课堂上利用投影机等设备向学生进行演示，从而在一定程度上帮助学生建立清晰直观的物理图像。目前部分高校在波动光学课程教学时已经采用仿真实验，但是从学生反映情况上看波动光学仿真实验并不能充分调动学生的学习兴趣，单纯的理论计算仿真也并不能代替真实的物理实验。

物理演示实验仪作为教学的辅助性手段，在课堂教学需要的时候随时可以进行实验演示教学，不受地域和时间的影响，能够帮助教师在理论教学过程中为学生充分展示物理现象，引导学生对实验现象进行观察，并利用理论教学所学原理对物理现象进行定性或定量分析，有助于培养学生的观察能力、激发学生的学习兴趣、帮助学生摆脱乏味的理论推导。然而，波动光学课程涉及光的干涉、光的衍射和光的偏振等章节，具体包括双缝干涉、单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射、马吕斯定律等诸多实验内容。一般来说，完成这些实验的演示需要搭建多套光路，费时费力，并且波动光学有限的教学课时要求也不允许教师在每次课上完成演示光路的搭建、装调等工作。此外，虽然有一些多功能波动光学综合测试仪器或一体式波动光学实验台利用一套仪器即可完成多个波动光学实验，但是此类仪器往往适用于实验教学，无法在教室内满足多名学生同时远距离观看的需求，即不适合于课堂教学演示。因此，在波动光学课堂教学中亟需一套无需调节光路、可供课堂展示、能够演示多个实验的教学演示仪。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于光场投屏的波动光学教学装置。本实用新型无需费时费力进行光路调节即可投影演示多个波动光学实验，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。

为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案如下：一种基于光场投屏的波动光学教学装置，包括安装平台，安装平台上设有波动光学实验模组和投影模组；

所述波动光学实验模组包括位于安装平台中部的彩色激光器，彩色激光器的前方设有第一实验转盘，第一实验转盘上设有多个环形分布的第一实验片；所述第一实验转盘的前方设有第一反射镜，第一反射镜的一侧设有第二反射镜，第二反射镜的一侧设有第二实验转盘，第二实验转盘上环形设有多个第二实验片；所述第二实验转盘的前方设有第三反射镜,第三反射镜的一侧设有分束棱镜；所述第一实验转盘与第一反射镜之间设有第一插拔槽；所述第一反射镜与第二反射镜之间设有第二插拔槽；所述第二反射镜与第二实验转盘之间设有第三插拔槽；所述第二实验转盘和第三反射镜之间设有第四插拔槽；所述分束棱镜的前方设有偏振片插拔槽；

所述投影模组包括位于安装平台上的投影镜头，且投影镜头位于分束棱镜的前方。

上述的基于光场投屏的波动光学教学装置，所述投影镜头上设有对焦旋钮。

前述的基于光场投屏的波动光学教学装置，所述偏振片插拔槽和投影镜头之间设有放大插拔槽，放大插拔槽内设有放大透镜。

前述的基于光场投屏的波动光学教学装置，所述第一实验转盘连接有第一转动电机；所述安装平台上设有第一转盘固定架，第一转盘固定架的上端设有用于放置第一转动电机的第一安装室；所述第二实验转盘连接有第二转动电机，所述安装平台上设有第二转盘固定架，第二转盘固定架的上端设有用于放置第二转动电机的第二安装室。

前述的基于光场投屏的波动光学教学装置，所示第一转盘固定架和第二转盘固定架上分别设有限位角。

与现有技术相比，本实用新型通过在安装平台上设置波动光学实验模组和投影模组；通过波动光学实验模组进行演示实验，利用投影模组将波动光学的投影至观察屏幕，通过观察屏幕得出实验数据，本实用新型无需费时费力进行光路调节即可投影演示多个波动光学实验，从而实现了多套波动光学演示实验光路的一体化，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。本实用新型利用投影模组将实验结果放大成像于观察屏幕上，能够在教室内满足多名学生同时远距离观看的需求，更加适合于课堂教学演示，并辅助教师在理论教学过程中为学生展示清晰直观的物理现象，帮助学生摆脱乏味的理论推导。本实用新型能够进行真实的实验演示，充分激发学生的学习兴趣、引导学生对实验现象进行观察，并利用理论教学所学原理对物理现象进行分析，本实用新型利用一套仪器即可完成多个波动光学演示实验，具有操作方便、省时省力的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是教学装置插上镜片的结构示意图；

图4是第一实验转盘的结构示意图；

图5是第二实验转盘的结构示意图；

图6是以杨氏双缝干涉为例的教学装置结构示意图；

图7是第一实验片中的双缝实验片的结构示意图；

图8是以光栅衍射为例的教学装置结构示意图；

图9是第一实验片中的单缝实验片的结构示意图；

图10是第二实验片中的光栅实验片的结构示意图。

附图标记

1、安装平台；2、彩色激光器；3、第一实验转盘；4、第一实验片；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、第二实验转盘；8、第二实验片；9、通孔；10、第三反射镜；11、第四插拔槽；12、分束棱镜；13、第一插拔槽；14、第二插拔槽；15、第三插拔槽；16、偏振片插拔槽；17、单色激光器；18、显微物镜；19、准直透镜；20、测量标尺；21、第三反射镜；22、第四反射镜；23、成像透镜；24、投影镜头；25、对焦旋钮；26、放大插拔槽；27、放大透镜；28、第一转动电机；29、第一转盘固定架；30、第一安装室；31、第二转动电机；32、第二转盘固定架；33、第二安装室；34、限位角；35、实验准直透镜；36、傅里叶变化透镜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例1：一种基于光场投屏的波动光学教学装置，如图1所示，包括安装平台1，安装平台1上设有波动光学实验模组和投影模组；

所述波动光学实验模组包括位于安装平台1中部的彩色激光器2，彩色激光器2的前方设有第一实验转盘3，第一实验转盘3上设有多个环形分布的第一实验片4；所述第一实验转盘3的前方设有第一反射镜5，第一反射镜5的一侧设有第二反射镜6，第二反射镜6的一侧设有第二实验转盘7，第二实验转盘7上环形设有多个第二实验片8；所述第二实验转盘7的前方设有第三反射镜10,第三反射镜10的一侧设有分束棱镜12；所述第一实验转盘3与第一反射镜5之间设有第一插拔槽13；所述第一反射镜5与第二反射镜6之间设有第二插拔槽14；所述第二反射镜6与第二实验转盘7之间设有第三插拔槽15；所述第二实验转盘7和第三反射镜10之间设有第四插拔槽11；所述分束棱镜12的前方设有偏振片插拔槽16；

所述投影模组包括位于安装平台1上的投影镜头24，且投影镜头24位于分束棱镜12的前方。

本教学装置内设置有控制模块，在教学演示时，根据课程内容选择相应的实验界面，利用控制软件连接控制模块，然后打开波动光学实验模组中演示实验激光(彩色激光器)中红、绿、蓝三色激光器中的一个、两个或三个，并根据具体环境的亮度来调节演示实验激光的强度；在软件上控制波动光学实验模组中实验转盘的旋转，即实验片的切换，保证演示实验激光照射到实验片上；根据投影到观察屏幕上的实验图样，在软件上微调实验片的位置，完成实验图样的修正，从而能够在教室内满足多名学生同时远距离观看的需求，加深学生对波动光学物理现象的量化理解。

实施例2：一种基于光场投屏的波动光学教学装置，如图2所示，包括安装平台1，安装平台1上设有波动光学实验模组、实验结果测量模组和投影模组，所述波动光学实验模组、实验结果测量模组和投影模组还分别连接有设置在安装平台1内部的控制模组；

所述波动光学实验模组包括位于安装平台1中部的彩色激光器2，彩色激光器2的前方设有第一实验转盘3，第一实验转盘3上设有多个环形分布的第一实验片4；所述第一实验转盘3上设有限位角34，用于确定第一实验转盘3的初始位置；所述第一实验转盘3连接有第一转动电机28，第一转动电机28通过轴承和转盘卡扣与第一实验转盘3进行连接，可以对第一实验转盘3进行拆卸；所述安装平台1上设有第一转盘固定架29，第一转盘固定架29的上端设有用于放置第一转动电机28的第一安装室30，利用第一转动电机28带动第一实验转盘3转动，从而对第一实验片4进行选择切换，所述的第一实验片4上具有不同缝宽的单缝，不同缝宽、不同缝间距的双缝、多缝，不同直径的圆孔，不同尺寸的矩孔、三角形孔、五角星孔和不同周期的光栅，从而方便进行选择和切换，进而进行不同实验；所述第一实验转盘3的前方设有第一反射镜5，第一反射镜5的一侧设有第二反射镜6，第二反射镜6的一侧设有第二实验转盘7，第二实验转盘7上环形设有多个第二实验片8和通孔9；所述的第二实验片8上具有不同缝宽的单缝，不同缝宽、不同缝间距的双缝、多缝，不同直径的圆孔，不同尺寸的矩孔、三角形孔、五角星孔和不同周期的光栅，从而方便进行选择和切换，进而进行不同实验；所述通孔9用于放置安装第二实验片8；所述第一实验转盘3上设有限位角34，用于确定第一实验转盘3的初始位置；所述第二实验转盘7连接有第二转动电机31，第二转动电机31通过轴承和转盘卡扣与第二实验转盘7进行连接，可以对第二实验转盘7进行拆卸；所述安装平台1上设有第二转盘固定架32，第二转盘固定架32的上端设有用于放置第二转动电机31的第二安装室33，利用第一转动电机28带动第一实验转盘3转动，从而对第一实验片4进行选择切换；所述第二实验转盘7的前方设有第三反射镜10,第三反射镜10的一侧设有分束棱镜12；所述第一实验转盘3与第一反射镜5之间设有第一插拔槽13；所述第一反射镜5与第二反射镜6之间设有第二插拔槽14；所述第二反射镜6与第二实验转盘7之间设有第三插拔槽15；所述第二实验转盘7和第三反射镜10之间设有第四插拔槽11；所述分束棱镜12的前方设有半圆形的偏振片插拔槽16；如图3所示，第一插拔槽13、第二插拔槽14、第三插拔槽15和第四插拔槽11用于插拔傅里叶变换透镜、准直透镜等实验镜片，从而用于进行各类光学实验；所述偏振片插拔槽16用于插拔偏振片；

所述实验结果测量模组包括位于安装平台1上的单色激光器17，单色激光器17的前方设有显微物镜18，显微物镜18的前方设有准直透镜19，准直透镜19的前方设有测量标尺20，即测量标尺部分透光，而其他部分不透光；所述测量标尺20的前方设有第四反射镜21，第四反射镜21的一侧设有第五反射镜22，第五反射镜22的前方设有成像透镜23；所述成像透镜23位于分束棱镜12的后方；所述成像透镜23用来对测量标尺进行缩小成像，即缩小刻度间隔，从而提高测量精度，并利用缩小成像后的测量标尺像来对波动光学实验结果进行测量；测量标尺20与成像透镜之间的距离(物距)、成像透镜的焦距、测量标尺像与成像透镜之间的距离(像距)三者之间满足透镜成像公式。

所述投影模组包括位于安装平台1上的投影镜头24，且投影镜头24位于分束棱镜12的前方；所述的波动光学实验模组与实验结果测量模组共用分束棱镜12，所述的分束棱镜12的反射面朝向演示实验激光传播方向，透射面朝向测量激光传播方向。投影镜头24与测量标尺像平面之间的距离大于投影镜头24的焦距且小于投影镜头24焦距的两倍，即测量标尺像位于投影镜头24前的一倍焦距与两倍焦距之间的位置。

所述投影镜头24上设有对焦旋钮25，通过手动旋转可以微调投影镜头24的位置，从而适应不同位置的观察屏幕；所述偏振片插拔槽16和投影镜头24之间设有放大插拔槽26，放大插拔槽26内设有放大透镜27，通过设置放大透镜27，可以对波动光场及测量标尺像的局部进行二次放大。

作为具体的实施例，所述控制模块包括单片机和控制电路，控制时先将程序命令发至单片机，由单片机驱动控制电路来执行命令，其中彩色激光光源和单色激光光源的开关和强度分别通过切换电路的通断与改变激光脉冲的占空比来控制；第一实验转盘3和第二实验转盘7的旋转依赖于单片机控制第一转动电机28和第二转动电机31的旋转，当转盘外侧的限位角34转到光电开关位置处时转盘位于初始位置，之后通过单片机继续发送电压脉冲即可控制第一实验转盘3或第二实验转盘7继续旋转，即实现第一实验片4或第二实验片8的切换；在波动光学实验模组安装时，可以标定出第一实验转盘3和第二实验转盘7上不同位置对应的限位角34对应的电压脉冲，进而通过程序发送标定好的电压脉冲数即可有效控制第一实验片4和第二实验片8的切换。

如图6所示，以杨氏双缝干涉为例，选择杨氏双缝干涉实验光路，打开教学装置的总开关，利用智能控制终端搜寻并连接控制模块的无线收发模块；待无线连接完成后，打开智能终端上的控制软件，并在软件上打开测量光源(单色激光器17)；根据投影模组与观察屏幕之间的位置手动旋转投影镜头24上的对焦旋钮25，即微调投影镜头24的位置，使得观察屏幕上的标尺像清晰；待对焦旋钮25调节完成后，利用控制软件关闭测量光源，从而完成教学演示前的准备工作。在教学演示时，选择干涉的实验界面，利用控制软件打开演示实验激光(彩色激光器2)中红、绿、蓝三色激光器中的一个、两个或三个，并根据具体环境的亮度来调节演示实验激光的强度；在软件上控制第一实验转盘3的旋转(需要说明的是，本实施例中已将第二实验转盘7拆卸)，即双缝实验片的切换，保证演示实验激光照射到如图7所示的双缝实验片上，以发生杨氏双缝干涉，从而能够在观察屏幕上看到杨氏双缝干涉实验图样；根据投影到观察屏幕上的杨氏双缝干涉实验图样，在软件上微调双缝实验片的位置，从而完成杨氏双缝干涉实验图样的修正。在实验测量时，利用控制软件打开测量光源(单色激光器17)，并根据具体环境的亮度来调节测量激光的强度，通过直接读数的方式定量地测量出杨氏双缝干涉条纹间距，并与理论条纹间距进行对照分析。通过控制双缝实验转盘的旋转，即可实现不同缝间距的双缝实验片的切换，从而能够观察到缝间距对杨氏双缝干涉图样的影响；通过红、绿、蓝三色激光器的切换能够观察到入射光波长对杨氏双缝干涉图样的影响；通过将双缝实验转盘取下，并将其安装在另一距离处的转盘固定架的卡扣上，从而能够观察到观察距离对杨氏双缝干涉图样的影响。此演示教学实验能够辅助教师在杨氏双缝干涉理论教学过程中为学生展示清晰直观的杨氏双缝干涉实验图样，引导学生对杨氏双缝干涉实验现象进行观察、分析、测量，帮助学生定量地理解杨氏双缝干涉条纹间距与入射光波长、双缝缝间距、观察距离等物理量之间的关系。

如图8所示，以光栅衍射为例，选择光栅夫琅禾费衍射实验光路，将第一实验转盘3和第二实验转盘7按照光栅夫琅禾费衍射实验光路图的要求分别安装在两个不同距离处的转盘固定架的卡扣上。打开教学装置的总开关，利用智能控制终端搜寻并连接控制模块的无线收发模块；待无线连接完成后，打开智能终端上的控制软件，并在软件上打开测量光源(单色激光器17)；根据教学演示仪与观察屏幕之间的位置手动旋转投影镜头24上的对焦旋钮25，即微调投影镜头24的位置，使得观察屏幕上的标尺像清晰；待对焦旋钮25调节完成后，利用控制软件关闭测量光源，从而完成教学演示前的准备工作。在教学演示时，选择光栅衍射的实验界面，利用控制软件打开演示实验激光(彩色激光器2)中红、绿、蓝三色激光器中的三个，并根据具体环境的亮度来调节演示实验激光的强度；在软件上同时控制第一实验转盘3和第二实验转盘7的旋转，即如图9所示单缝实验片(第一实验片4)和如图10所示光栅实验片(第二实验片8)的切换，保证演示实验激光先照射到单缝实验片上形成线光源，随后通过第一反射镜5、实验准直透镜35(设置在第二插拔槽14内)、第二反射镜6照射至光栅实验片上，再经过第三反射镜10和分束棱镜12到傅里叶变换透镜36(设置在第四插拔槽11内)，以发生光栅夫琅禾费衍射，然后通过投影模组投射在观察屏幕上，从而能够在观察屏幕上看到光栅夫琅禾费衍射实验图样(光栅衍射光谱)；根据投影到观察屏幕上的光栅衍射光谱，在软件上微调光栅实验片的位置，从而完成光栅衍射光谱的修正；在软件上切换单缝实验片，能够在观察屏幕上看到不同谱线宽度的光栅衍射光谱。在实验测量时，利用控制软件打开测量光源(单色激光器17)，并根据具体环境的亮度来调节测量激光的强度，通过直接读数的方式定量地测量出光栅各级谱线位置或各级谱线的衍射角，并与理论上的光栅谱线位置或衍射角进行对照分析，从而完成光栅方程的验证。通过控制第二实验转盘7的旋转，即可实现不同周期的光栅实验片的切换，从而能够观察到光栅周期对光栅衍射光谱的影响；更换周期与线宽之比为正整数的另一光栅实验转盘，并控制光栅实验转盘的旋转，保证演示实验激光照射到光栅实验片上，从而能够在观察屏幕上看到缺级现象。此演示教学实验能够辅助教师在光栅衍射理论教学过程中为学生展示清晰直观的光栅衍射光谱以及缺级现象，引导学生对光栅衍射实验现象进行观察、分析、测量，帮助学生定量地理解光栅方程。

综上所述，本实用新型通过在安装平台上设置波动光学实验模组和投影模组；通过波动光学实验模组进行演示实验，利用投影模组将波动光学的投影至观察屏幕，通过观察屏幕得出实验数据，本实用新型无需费时费力进行光路调节即可投影演示多个波动光学实验，从而实现了多套波动光学演示实验光路的一体化，能够满足学生观看与实际理解，从而提高教学成果与质量。本实用新型利用投影模组将实验结果放大成像于观察屏幕上，能够在教室内满足多名学生同时远距离观看的需求，更加适合于课堂教学演示，并辅助教师在理论教学过程中为学生展示清晰直观的物理现象，帮助学生摆脱乏味的理论推导。本实用新型能够进行真实的实验演示，充分激发学生的学习兴趣、引导学生对实验现象进行观察，并利用理论教学所学原理对物理现象进行分析，本实用新型利用一套仪器即可完成多个波动光学演示实验，具有操作方便、省时省力的优点。

Claims (5)

1.一种基于光场投屏的波动光学教学装置，其特征在于：包括安装平台(1)，安装平台(1)上设有波动光学实验模组和投影模组；

所述波动光学实验模组包括位于安装平台(1)中部的彩色激光器(2)，彩色激光器(2)的前方设有第一实验转盘(3)，第一实验转盘(3)上设有多个环形分布的第一实验片(4)；所述第一实验转盘(3)的前方设有第一反射镜(5)，第一反射镜(5)的一侧设有第二反射镜(6)，第二反射镜(6)的一侧设有第二实验转盘(7)，第二实验转盘(7)上环形设有多个第二实验片(8)；所述第二实验转盘(7)的前方设有第三反射镜(10),第三反射镜(10)的一侧设有分束棱镜(12)；所述第一实验转盘(3)与第一反射镜(5)之间设有第一插拔槽(13)；所述第一反射镜(5)与第二反射镜(6)之间设有第二插拔槽(14)；所述第二反射镜(6)与第二实验转盘(7)之间设有第三插拔槽(15)；所述第二实验转盘(7)和第三反射镜(10)之间设有第四插拔槽(11)；所述分束棱镜(12)的前方设有偏振片插拔槽(16)；

所述投影模组包括位于安装平台(1)上的投影镜头(24)，且投影镜头(24)位于分束棱镜(12)的前方。

2.根据权利要求1所述的基于光场投屏的波动光学教学装置，其特征在于：所述投影镜头(24)上设有对焦旋钮(25)。

3.根据权利要求1所述的基于光场投屏的波动光学教学装置，其特征在于：所述偏振片插拔槽(16)和投影镜头(24)之间设有放大插拔槽(26)，放大插拔槽(26)内设有放大透镜(27)。

4.根据权利要求1所述的基于光场投屏的波动光学教学装置，其特征在于：所述第一实验转盘(3)连接有第一转动电机(28)；所述安装平台(1)上设有第一转盘固定架(29)，第一转盘固定架(29)的上端设有用于放置第一转动电机(28)的第一安装室(30)；所述第二实验转盘(7)连接有第二转动电机(31)，所述安装平台(1)上设有第二转盘固定架(32)，第二转盘固定架(32)的上端设有用于放置第二转动电机(31)的第二安装室(33)。

5.根据权利要求4所述的基于光场投屏的波动光学教学装置，其特征在于：所示第一转盘固定架(29)和第二转盘固定架(32)上分别设有限位角(35)。

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