專(zhuān)利名稱(chēng)：全能一體高效簡(jiǎn)易幾何光學(xué)演示儀及其椎縫投影方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)演示儀器，特別是涉及儀器的投影方法、總體結(jié)構(gòu)和總體功能，以及投影光縫、投影光源、圓形光屏、分光裝置、光具、夾具等的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)行中學(xué)使用的幾何光學(xué)演示儀器，有J2501型和J2501-1型兩種光具盤(pán)。(見(jiàn)光具盤(pán)說(shuō)明書(shū)陜西省藍(lán)田縣北關(guān)中學(xué)儀器廠(chǎng)印發(fā)，各中學(xué)實(shí)驗(yàn)室皆有?；蛞?jiàn)中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)員培訓(xùn)教材，本教材系陜西省人民教育出版社出版，于西安編)光具盤(pán)是一種多功能幾何光學(xué)演示儀器但所演示的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠齊全。其獲得平行演示光束的方法，是將點(diǎn)光源會(huì)聚成平行光源后間接經(jīng)平行排列的平行光縫投影在光屏上而獲得，此方法因無(wú)法排除光源的異位發(fā)光點(diǎn)的異向光線(xiàn)和透鏡的色差、又難于準(zhǔn)焦等因素干擾光束的清晰度和平行度，加之光源功率小引起的光線(xiàn)弱，故演示效果欠佳。其總體結(jié)構(gòu)，是所需的低壓電源、平行光源、整體圓屏、光具和光具盒等共16.4公斤重的異體分散臨時(shí)組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如此笨重的原因主要來(lái)源于光源電壓的低壓選擇和投影方法的聚光選擇，其次來(lái)源于光屏光具結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)不僅設(shè)備笨重而且調(diào)節(jié)因素繁多而導(dǎo)至操作十分困難。其整體圓屏無(wú)法改變折射和反射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)所在的平面，故無(wú)法演示其在同一平面內(nèi)這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其異束分光裝置不便于確定所用的兩條異向光束是同一發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的。其光具定位的屏面夾、屏面磁吸裝置、光具懸掛裝置都只適于光具在屏面上定位，不適于光具的存放定位。
本發(fā)明，其目的在于更新投影方法優(yōu)化演示平行光束質(zhì)量、優(yōu)化儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化演示操作，改進(jìn)和新造必要的演示裝置齊全儀器功能，以克服現(xiàn)行光具盤(pán)存在的弱點(diǎn)成就功能全、效果好、操作易、部件一體、簡(jiǎn)單輕便的幾何光學(xué)演示儀器。此目的是下列目的集合。
1、椎縫投影方法，本方法的目的在于克服光具盤(pán)的平行縫投影方法的弱點(diǎn)，成就清晰明確的平行投影光束以提高儀器的實(shí)驗(yàn)效果，并精減投影設(shè)備簡(jiǎn)化投影操作使幾何光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)、制造、使用都向邁進(jìn)一步。
2、一體定位結(jié)構(gòu)，本儀器的一體定位結(jié)構(gòu)，其一是為了盡量減少儀器的調(diào)節(jié)因素簡(jiǎn)化操作，其二是為了盡量利用一物多用因素精簡(jiǎn)儀器結(jié)構(gòu)，其三是為了設(shè)備的存放、攜帶、取用、操作都簡(jiǎn)便，其四是為了優(yōu)選最佳的演示和觀(guān)察位置以提高演示效果。
3、椎縫片裝置，本裝置是為了實(shí)施椎縫投影方法最佳方案的一個(gè)側(cè)面。
4、直絲燈裝置，本裝置是為了實(shí)施椎縫投影方法最佳方案的另一個(gè)側(cè)面。
5、組合圓屏裝置，本裝置是為彌補(bǔ)整體圓屏無(wú)法演示折射或反射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)在同一平面內(nèi)這一弱點(diǎn)，以完善圓屏功能。
6、同束分光裝置，本裝置是為了克服光具盤(pán)的異束更向裝置無(wú)法使學(xué)生直接觀(guān)察兩異光束源于同一發(fā)光點(diǎn)的弱點(diǎn)，以改善其功能。
7、平面棱面鏡裝置，本裝置是為了克服光具盤(pán)的漫反射鏡無(wú)法使學(xué)生觀(guān)察到各個(gè)方向是的反射光線(xiàn)這一弱點(diǎn)，以改善其功能。
8、色散演示裝置，包括色光混合鏡裝置、原色透光片裝置、三棱鏡裝置、色散屏裝置。本裝置是為了增設(shè)與色散有關(guān)的演示內(nèi)容以齊全儀器功能簡(jiǎn)化這些實(shí)驗(yàn)的演示操作。
9、光導(dǎo)單縫片裝置，本裝置是為了增設(shè)光導(dǎo)現(xiàn)象和小孔成象兩項(xiàng)演示內(nèi)容以齊全儀器功能。
10、虛線(xiàn)絲裝置，本裝置是為了簡(jiǎn)便地測(cè)定各種虛像位置，讓學(xué)生直觀(guān)地理解虛像的成因，以完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提高演示效果。
椎縫投影方法是用點(diǎn)光源(包括點(diǎn)絲燈、直絲燈或環(huán)絲燈)直接通過(guò)一道椎形光縫或幾道共頂點(diǎn)排列的椎形光縫，投影在光屏上獲得一條平行光束或者幾條相互平行的平行光束的新方法，是幾何光學(xué)儀器設(shè)計(jì)制造的新基礎(chǔ)，是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)最終目的的前提和根本，它的應(yīng)用必將使幾何光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)、制造、使用都向前邁進(jìn)一步。
其具體方法是在任意一道椎形光縫或者幾道共頂點(diǎn)排列的椎形光縫的一側(cè)、將光屏的一邊重合置于椎縫底邊上，另一側(cè)置一點(diǎn)絲燈，當(dāng)點(diǎn)絲燈與椎縫頂點(diǎn)的連線(xiàn)平行于光屏屏面時(shí)，即在光屏上得到一條平行光束或者幾條相互平行的平行光束。其寬度與椎縫底邊相等、椎縫底邊越寬光束越寬，其平行度決定于燈絲與椎縫頂點(diǎn)連線(xiàn)和屏面間的平行度、二者越接近平行位置光束的平行越好，其清晰度主要決定于燈絲的直徑、其次決定于燈絲與椎縫問(wèn)的距離、直徑越小越清晰、距離越遠(yuǎn)越清晰，當(dāng)燈絲直徑小到一毫米以下時(shí)二者的影響幾乎無(wú)法用肉眼辯別，其亮度主要決定于燈絲的功率，其次決定于燈絲與椎縫的距離，功率越大越明亮，距離越小越明亮。用絲徑與點(diǎn)絲燈的絲徑相同，絲長(zhǎng)任意長(zhǎng)，功率大于點(diǎn)絲燈的直線(xiàn)燈取代點(diǎn)絲燈，當(dāng)燈絲直線(xiàn)過(guò)椎縫頂點(diǎn)且平行于屏面時(shí)，除光束的亮度因功率增大而提高外，其他光束性質(zhì)和光束效果都和點(diǎn)絲等效。用絲徑與點(diǎn)絲燈和直絲燈的絲徑都相同的小環(huán)徑環(huán)絲燈代點(diǎn)絲燈和直絲燈，當(dāng)環(huán)徑線(xiàn)過(guò)椎縫頂點(diǎn)且平行于屏面時(shí)，在椎度較小所需光束又不太長(zhǎng)的前提下，其光束的性質(zhì)和效果與點(diǎn)絲燈或者環(huán)絲燈近似，其實(shí)也遠(yuǎn)比聚光投影方法強(qiáng)。概括起來(lái)，椎縫投影方法的特征是，其投影光縫是椎形光縫或者共頂點(diǎn)排列的椎形光縫，其光原是點(diǎn)光源的點(diǎn)絲燈、直絲燈或環(huán)絲燈。其光束平行度提高限定于光源在過(guò)椎縫頂點(diǎn)且平行于屏面的直線(xiàn)上的準(zhǔn)確度的提高，其光束的清晰度提高限定于燈絲直徑的縮小和燈絲與椎縫頂點(diǎn)距離的增大，其光束亮度的提高則限定于燈絲功率的增大和燈絲到椎縫頂點(diǎn)距離的縮小。如果選用220V200W的直絲燈，且將光縫、燈絲、光屏固定在獲得平行投影光束的最佳位置上，則所需的平行投影光束開(kāi)燈即得、清晰明亮、無(wú)需任何調(diào)節(jié)，顯然簡(jiǎn)化了投影操作也簡(jiǎn)化了投影設(shè)備。因此，椎縫投影方法必然會(huì)導(dǎo)致幾何光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)、制造、使用都向前邁進(jìn)一步，此方法在全能一體高效簡(jiǎn)易幾何光學(xué)演示儀中實(shí)施及其效果足以證實(shí)這一點(diǎn)。
本發(fā)明的最終目的是成就全能一體高效簡(jiǎn)易幾何光學(xué)演示儀的總體結(jié)構(gòu)。此目的是通過(guò)椎縫投影方法在儀器中實(shí)施和儀器從部分到總體均實(shí)現(xiàn)一體定位結(jié)構(gòu)的成就，以及改進(jìn)和創(chuàng)新必須裝置的結(jié)果得以實(shí)現(xiàn)。
本儀器一體定位總體結(jié)構(gòu)圖5圖6，是將光屏椎縫一體定位結(jié)構(gòu)用兩定位螺釘15.1結(jié)合在光源燈罩一體定位結(jié)構(gòu)圖3上，再將光具夾具一體定位裝置圖4的裝置1至裝置12夾持在燈罩背后的光具框19.1和光具框19.3上，將其框盍19.2和19.4盍上、定位結(jié)構(gòu)而成。其光屏椎縫一體定位結(jié)構(gòu)，是用螺釘16.6將組合圖屏16和矩形光屏結(jié)合成一體定位的光屏結(jié)構(gòu)后，用屏腳螺釘17.1將矩形光屏的屏腳固定在光屏定位螺釘17.2上，再用光屏定們螺釘17.2將光屏一體定位結(jié)構(gòu)定位在燈罩盍15上，最后用椎縫定位螺釘15.5將兩片相的椎縫片13反面重疊和兩個(gè)相同的同束分光裝置14鏡面相對(duì)地一并定位在燈罩盍15上結(jié)構(gòu)而成，其中光屏能繞螺釘17水平轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)換使用圓屏或矩屏，也能繞螺釘17.1前后擺動(dòng)，以精選學(xué)生觀(guān)察的最佳角度；其光源燈罩一體定位結(jié)構(gòu)是用三顆定位螺釘18.3將燈頭支撐18.2定位在燈罩19上，再用燈頭螺圈18.4將燈頭定位在燈頭支撐18.2上，最后將220V200W的直絲燈泡18上在燈頭18.1上結(jié)構(gòu)而成，其中燈頭能轉(zhuǎn)動(dòng)和前后移動(dòng)，以選擇直線(xiàn)形燈絲的最佳位置；光具夾具一體定位裝置，是將所需的光具都用單件或多件組合方式粘接在各自的夾具上，形成光具夾具一體定位的帶夾光具圖4的裝置1至12，以便光具在儀器上存放和使用的夾持定位；以利光具和儀器始終保持一體定位的總體結(jié)構(gòu)。將所設(shè)的12種14件帶光具裝置分別夾持于組合圓屏或矩形光屏的適當(dāng)位置，能演示幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的反射、折射等34項(xiàng)演示內(nèi)容。因此本儀器的特征是，其獲平行光束的方法是用點(diǎn)光源的220V200W直絲燈直接經(jīng)一道椎形光縫或者幾道共頂點(diǎn)排列的椎形光縫投影在光屏上而獲得的椎縫投影方法，其結(jié)構(gòu)是從部分到總體均實(shí)現(xiàn)一體定位的一體定位結(jié)構(gòu)，其功能齊全能演示34項(xiàng)幾何光學(xué)內(nèi)容。其中椎縫片裝置13是實(shí)施椎縫投影方法的關(guān)鍵之一，其特征在于其投影光縫是五道共頂排列且椎縫角等于縫間角的椎形光縫，并且兩相同片反面疊合裝置使用，以獲得粗細(xì)可以選擇的一至五條平行投影光束；直絲燈裝置18，是實(shí)施椎縫投影方法的關(guān)鍵之二，其特征在于其燈絲排列成一條直線(xiàn)并且絲徑小于一毫米，還能轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)燈頭選擇燈絲位置；組合圓屏16，是改進(jìn)整體圓屏的裝置，其特征在于本圓屏是兩個(gè)半圓屏用橡筋結(jié)合而成，可使其中一個(gè)半圓屏與另一個(gè)半圓屏異面則投影的反射光或折射光消失，以反證反光線(xiàn)折射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)在同一平面內(nèi)；同束分光裝置14，是改進(jìn)異束分光裝置的同束分光更向裝置，其特征在于將同一平行光束更向一部分獲得出發(fā)于一點(diǎn)的兩條異向光束；平面、棱面鏡裝置11，是改進(jìn)光具盤(pán)漫反射鏡的鏡面反射和漫反射實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于漫反射鏡的鏡面是不規(guī)則棱柱面的鍍銀面，學(xué)生可明察漫反射中各個(gè)方向上的漫反射光線(xiàn)；色光混合鏡裝置5，是新創(chuàng)的裝置，其特征在于兩面平面鏡相交結(jié)合而使其反射的色光束相互混合，用于紅、綠、藍(lán)三色光混合成其他色光或者白光的演示；原色透光片裝置6，是新創(chuàng)裝置，其特征在于一片透光片有紅、綠、藍(lán)三部分，用以演示透光色體對(duì)色光的透過(guò)和吸收特性以及獲得三束紅、綠、藍(lán)光實(shí)現(xiàn)色光混合的演示；帶夾三棱鏡裝置8，是創(chuàng)新裝置，其特征是三棱鏡定位在夾具上，用于便宜而準(zhǔn)確地演示白光的色散與合成；七色色散屏裝置9，是創(chuàng)新裝置，其特征在于其屏面白色，屏前片的一面紅黃藍(lán)另一面綠橙紫，用以演示光的色散以及反光色體對(duì)色光的反射和吸收的特征；光導(dǎo)單縫片裝置7，是新創(chuàng)裝置，其特征在于其是由開(kāi)一小平行縫的薄片與-U形玻璃棒結(jié)構(gòu)在夾具上組成，用以演示光導(dǎo)現(xiàn)象和小孔成象的原理；虛線(xiàn)絲裝置12，是新創(chuàng)裝置，其特征是兩條直線(xiàn)形鋼絲，用以演示各種光具所成虛象的位置。
綜上所述，本儀器以光具盤(pán)的投影平行光束和光具為演示幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基楚，將其平行光縫投影方法更為椎形光縫投影方法，將其設(shè)備的異體分散臨時(shí)組合結(jié)構(gòu)更為一體定位的儀器的部分和總體結(jié)構(gòu)，并將其整體圓屏更為組合圓屏，將其光束的異束更向裝置更為同束分光更向裝置，還將其8件光具刪去直角棱鏡和玻璃兩件，留下的6件光具均縮小其尺寸形成一體定位的帶夾光具裝置，在此基礎(chǔ)上又新創(chuàng)6種帶夾光具裝置共8件，共計(jì)14件帶夾光具裝置。采取上列措施的結(jié)果1、本儀器的重量不到兩公斤，是光具盤(pán)所需設(shè)備16.4公斤的八分之一弱，因此，將生產(chǎn)儀器的原材料節(jié)省到光具盤(pán)的八分之一，其中椎縫投影方法節(jié)省的原材料是光具盤(pán)的八分之五，更可觀(guān)的還在于椎縫投影方法省去了低壓電源和平行光源約150元的價(jià)值。顯然，使用時(shí)攜帶兩公斤重的一體儀器比攜帶16.4公斤重且分散異體的光具盤(pán)設(shè)備來(lái)得簡(jiǎn)單輕便。因此，實(shí)現(xiàn)了部件一體簡(jiǎn)單輕便的發(fā)明目的。
2、本儀器根據(jù)椎縫投影方法的最佳方案成就椎縫燈絲的結(jié)構(gòu)和大小，并能根據(jù)對(duì)光束清晰度、平行度、可見(jiàn)度的不同需要選擇光屏、椎縫、直線(xiàn)形燈絲的相對(duì)位置。使用中，只要第一次將矩形光屏置于學(xué)生觀(guān)察的最佳位置上，根據(jù)自己對(duì)光束清晰度、平行度、可見(jiàn)度的要求調(diào)好燈絲和光縫光屏的相對(duì)位置固定后，以后使用時(shí)對(duì)光束無(wú)需調(diào)節(jié)，只要開(kāi)燈后將光屏轉(zhuǎn)到學(xué)生觀(guān)察的最佳位置上，清晰明確的投影平行光束就展現(xiàn)在學(xué)生面前，再將所需的帶夾光具裝置夾持在平行光束或相交光束的要求位置上，所需的演示現(xiàn)象隨之即得，從開(kāi)燈到現(xiàn)象的獲得費(fèi)時(shí)不到一分鐘，且展現(xiàn)出的現(xiàn)象清晰明確準(zhǔn)確可靠。而光具盤(pán)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往花上四五分鐘時(shí)間去對(duì)平行光源調(diào)焦，對(duì)光屏和平行光源作前后對(duì)位、高低對(duì)位、遠(yuǎn)近對(duì)位、水平調(diào)節(jié)、設(shè)影調(diào)節(jié)，有時(shí)花了時(shí)間還得不到理想的投影平行光束，而使實(shí)驗(yàn)的演示不了了之。顯然，又實(shí)現(xiàn)了效果好操作易的發(fā)明目的。
3、本儀器和光具盤(pán)均是多功能幾何光學(xué)演示儀器，其中光具盤(pán)所設(shè)的8件光具能演示的15項(xiàng)幾何學(xué)學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，有兩項(xiàng)容所設(shè)的光具重復(fù)，有兩項(xiàng)內(nèi)容的演現(xiàn)象不全，有三項(xiàng)內(nèi)容的效果欠佳；本儀器用組合圓屏同束分光更向裝置、平面棱面鏡裝置彌補(bǔ)了光具盤(pán)所演示的實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，又新創(chuàng)6種共8件帶夾光具裝置，使儀器演示的幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新增19項(xiàng)，共計(jì)能演示34項(xiàng)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且每項(xiàng)演示內(nèi)容的演示操作都比單項(xiàng)儀器演示來(lái)行簡(jiǎn)便準(zhǔn)確，其演示效果也比單項(xiàng)儀器好。于是最后實(shí)現(xiàn)了本儀器功能全的發(fā)明目的。
各附圖的比例尺均為4∶5，各附圖所標(biāo)尺寸的單位均是毫米

圖1是光屏椎縫一體定位結(jié)構(gòu)的正規(guī)圖，圖2是圖1的右視圖，圖3是光源燈罩一體定位結(jié)構(gòu)的正視圖，圖4是光具夾具一體定位裝置單件圖，(本裝置簡(jiǎn)稱(chēng)帶夾光具裝置，其左豎行為裝置1至裝置11的正視圖，右豎行是對(duì)應(yīng)裝置的左視圖，最下圖是上列裝置的頂視圖，置右邊是裝置12的正視圖，其中裝置8和裝置12各備兩件)，圖5是總體定位存放結(jié)構(gòu)右視圖，圖6是總體定體圓屏演示結(jié)構(gòu)頂視圖，圖1和圖3上下組合即得總體定位圓屏演示結(jié)構(gòu)正視圖。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，是按附圖規(guī)格制造生產(chǎn)儀器的各部件，又按技術(shù)方案要求將部件結(jié)構(gòu)成儀器總體而定型，再調(diào)試好演示平行光束后用14件帶來(lái)光具裝置演示34項(xiàng)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。僅將其部件生產(chǎn)方式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的演示操作補(bǔ)充于后。
一、部件生產(chǎn)方式1、矩形光屏17，最好根據(jù)附圖規(guī)格用二毫米厚的鋁板或鐵板，將屏體17和屏腳17.1一次截壓成型制造，其圓屏定位螺釘17.3焊接在屏體背后面上。也可分頭制造金屬屏腳和玻璃屏體粘接成型。屏面最好用白紙表被，也可用涂料涂白，但不宜鏡面反光。
2、組合圓屏16，最好根據(jù)附圖規(guī)格，用白色塑料將活動(dòng)半圓屏16.2和固定半圓屏16.1(包括其屏面刻度16.3、橡筋縫6.4、穩(wěn)轉(zhuǎn)背輪16.5、定位螺釘孔16.6)分別一次鑄塑成型，以簡(jiǎn)化工序。也可用三毫米厚的鋁或其他板材加工兩半圓屏體即活動(dòng)半圓屏。其中一半圓屏體與單獨(dú)生產(chǎn)的穩(wěn)轉(zhuǎn)背輪16.5對(duì)位粘接成固定半圓屏16.1，另一半圓屏體即活動(dòng)豐圓屏。其結(jié)構(gòu)橡筋用市售扎頭橡筋，其屏面必須加工得潔白無(wú)鏡面反光。
3、椎縫片13，最好根據(jù)附圖規(guī)格用0.1毫米厚的鋼皮將其椎縫13.1片柄13.2定位螺釘孔13.3一次沖壓截制成型，也可用其他金屬薄皮材料制造。其椎縫角必須與縫間間格角準(zhǔn)確相等且共頂點(diǎn)，并且定位螺釘孔13.3的圓心必須是椎縫頂點(diǎn)，而且此孔與螺釘直徑緊密配合不宜松動(dòng)也不宜過(guò)緊。
4、同束分光裝置14，最好根據(jù)附圖規(guī)格，用一毫米存的鋼皮分別將鏡架14.1和帶軸鏡體支撐14.2截壓成型，然后將反光鏡14.3的背面與鏡體支撐粘接一體，再將鏡軸插入軸孔形成總體裝置。其中定位螺釘孔14.4圓心必須在鏡面的豎直平面上。
5、燈罩盍15，最好根據(jù)附圖規(guī)格，用五毫米的鋁板將投影窗15.1，光屏定螺釘孔15.2盍柄15.3一次截壓成型。然后加工椎縫定位螺釘13.4的螺母孔和罩盍定位螺釘15.4的螺母孔。也可用鐵或其他材料制造，但不宜用塑料。
6、燈罩19，最好根據(jù)附圖規(guī)格，用一毫米存的鐵皮搪瓷制造。將燈頭支撐18.5和光具夾持征19.6與燈罩一體制造可省去螺釘18.3。也可用鋁皮制造而省去搪瓷工序。此罩宜制得內(nèi)黑外白。
7、直絲燈18，最好根據(jù)附圖規(guī)格，專(zhuān)制直線(xiàn)形燈絲的220V200W以上功率的燈泡，以求得完美的演示效果。也可用市售環(huán)絲大功率燈泡只求近似的演示效果。燈頭可用市售燈頭，亦可專(zhuān)制堅(jiān)實(shí)的燈頭。
8、帶夾光具裝置圖4的裝置1-12，各裝置的光具夾均用0.5毫米厚的鋼皮或鐵皮制成長(zhǎng)短臂票夾的形式。將專(zhuān)制的光具對(duì)應(yīng)粘接在長(zhǎng)夾臂的頂端形成帶夾光具裝置。其七色色散屏裝置9的9.1是兩面分別涂紅、黃、藍(lán)和綠、橙、紫三色的六色片，抽去六色片后，下面的屏面9.2是白色；原色透光片6分三個(gè)色段為紅、綠、藍(lán)三原色。其他裝置一目了然不再詳述。
二、實(shí)驗(yàn)的演示操作1、第一次調(diào)試光束，按技術(shù)方案要求用所生產(chǎn)的部件將儀器裝配成型如圖5圖6或圖1和圖3上下結(jié)合，即可作光束的第一次調(diào)試。將儀器置于教室的講桌中央，把組合圓屏置于正面的光屏屏體水平轉(zhuǎn)動(dòng)180°，讓矩形光屏置于正面，再將屏體向前轉(zhuǎn)至前后居中的學(xué)生的視線(xiàn)垂直于矩形屏屏面的位置。然后開(kāi)燈，如見(jiàn)光束會(huì)聚則將燈頭位置后調(diào)反之則前調(diào)直至光束平行為止，如見(jiàn)光束左傾則將燈頭位置左調(diào)反之則右調(diào)直至中央光束與矩屏中心線(xiàn)重合為止，如見(jiàn)光束不夠清晰則反順轉(zhuǎn)動(dòng)燈頭至光束清晰明確為止，調(diào)好后將燈頭旋緊固定其位置。以后使用儀器時(shí)，只要開(kāi)燈后將光屏轉(zhuǎn)到第一次調(diào)試時(shí)的位置，清晰明確的平行光束即展現(xiàn)在屏面上，在屏面上夾持相應(yīng)的帶夾光具裝置即可準(zhǔn)確地演示所需的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
2、演示34項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用組合圓屏演示如圖1與圖3上下結(jié)合所示。開(kāi)燈后，兩手分別握住兩椎縫片柄13.2轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩椎縫片只重合一道椎縫時(shí)組合圓屏上得到一條平行光束，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)兩椎縫片13改變重合椎縫的重合程度，以選擇適應(yīng)所需的可見(jiàn)度和精確度的光束粗細(xì)，直至自己滿(mǎn)意為止。再將組合圓屏16轉(zhuǎn)至活動(dòng)半圓屏16.2居左，固定半圓屏16.1居右，光束重合于兩半圓屏重合直徑的位置。最后將帶夾平面鏡裝置11的平面鏡鏡面垂直于光束夾持在屏面的直徑線(xiàn)上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏即出現(xiàn)反射光束與其入射光束分居法線(xiàn)兩側(cè)且反射角等于入射角的演示現(xiàn)象，將活動(dòng)半圓屏向后一按則反射光束因兩屏面不在同一平面而消失，以此反證反射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)在同一平面內(nèi)，即演示了(1)反定律的全部?jī)?nèi)容。將同束分光裝置14的鏡面轉(zhuǎn)至重合光縫中心線(xiàn)的位置上，轉(zhuǎn)動(dòng)鏡柄14.5將這條平行光束的一半光線(xiàn)更向反射，形成出自鏡面上端一點(diǎn)的兩條異向光束，將兩虛線(xiàn)絲12分別重合在兩條異向平行光束在平面鏡的背面交于一點(diǎn)，此點(diǎn)即同束分光裝置上端異向光束出發(fā)點(diǎn)的虛象，即演示了(2)平面鏡成象光路的全部?jī)?nèi)容。調(diào)節(jié)椎縫片使其重合五道椎縫，而使五條平行光束投射到平面鏡11上，轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏則五條反射光線(xiàn)始終沿同一方向平行反射出去，即演示了(3)鏡面反射內(nèi)容。將裝置11的棱面鏡鏡面對(duì)著五道平行光束轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏則光束沿不同方向反射出去，即演示了(4)漫反射內(nèi)容。
如前所述的方法，在組合圓屏上調(diào)出一條平行光束，將組合圓屏16轉(zhuǎn)至活動(dòng)半圓屏16.2居上固定半圓屏16.1居下的位置。將帶夾半圓柱透鏡10平面面垂直光束并讓光束通過(guò)透鏡光心，夾持在活動(dòng)半圓屏上，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏，即出現(xiàn)折射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)分居法線(xiàn)兩側(cè)且折射角小于入射角的演示現(xiàn)象，將活動(dòng)半圓屏向后一按則折射光線(xiàn)因兩半屏面不同面而消失，以此反證折射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)必須在同一平面內(nèi)，即演示了(5)折射定律的全部?jī)?nèi)容。在此演示過(guò)程中，可根據(jù)任一對(duì)應(yīng)的折射角和入射角的正弦值求出玻璃的折射率，即演示了(6)測(cè)媒質(zhì)的折射率的內(nèi)容，如果要提高測(cè)量精度可縮小投影平行光束。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏至光束從半圓柱透鏡的弧面中央入射，逐漸增大入射角到折射光線(xiàn)剛好消失為止，此時(shí)的入射角即玻璃的臨界角，即演示了(7)測(cè)臨界角的內(nèi)容。繼續(xù)增大入射角就只見(jiàn)反射光線(xiàn)不拆射光線(xiàn)，即演示了(8)全反射內(nèi)容。再轉(zhuǎn)動(dòng)組合圓屏，不管光束的方向怎樣隨拆射或全反射而變化，但柱透鏡中的光束和空氣中的光束都分別為一條直線(xiàn)，即演示了(9)光的直線(xiàn)傳播內(nèi)容。
取下帶夾半圓柱透鏡10讓組合圓屏上留下居中的一條白色光束，將兩帶夾三棱鏡八分之一，置于椎縫右側(cè)擋住光束夾持在前燈罩盍柄15.3上，則居中的白色光束消失而從三棱鏡射出一條右斜上方的七色光束，再將帶夾七色屏9抽去6色片9.1，夾持在七色光束端點(diǎn)的圓屏邊上，讓七色光束投射在色散白屏9.2上則見(jiàn)到清晰明確的七色光帶，并且在圓屏上清楚地顯示著各色光折射角的大小關(guān)系，即完整地演示了(10)白光的色散內(nèi)容。將另一帶夾三棱鏡的一面重合在原三棱鏡上面擋住七色光束，則七色光束消失，而變成一束白光回到居中的位置，即演示了(11)白光的合成內(nèi)容。去掉另一三棱鏡則色散屏9.2上重新出現(xiàn)七色光帶，將6色片9.1插入色散屏9.2中，七色光帶投影到紅、黃、藍(lán)或綠、橙、紫三段上，則七色光帶變成紅、黃、藍(lán)或綠、橙、紫三光段，即演示了(12)反光色體對(duì)色光的吸收和反射特征。將帶夾原色透光片6置于七色光束的光路上，則通過(guò)紅色片的七色光變成紅色光，通過(guò)……，即演示了(13)透明色體對(duì)色光的吸收和透過(guò)特性。將原色透光片6置于六色片9.1的位置，對(duì)色光的反射作用與六色片相同，即演示了(14)透明色體對(duì)色光的吸收和反射特性。
用矩形光屏演示，即將圖1圖3結(jié)合后的矩形光屏轉(zhuǎn)至正面。把椎縫片13和同束分光裝置都轉(zhuǎn)至儀器正前方露出投影窗15.1，再把帶夾原色透光片6置于投影窗15.1上，使矩形光屏上出現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三條寬光束，最后將帶夾色光混合鏡裝置5夾持在光路上，經(jīng)色光混合鏡反射后的三原色光束與原來(lái)的三原色光束相互交錯(cuò)，其每?jī)蓷l光束的交錯(cuò)處出現(xiàn)兩色光混合成其他色光的效果，即演示了(15)兩色光混合成其他色光的內(nèi)容。其三色光交錯(cuò)處出現(xiàn)三原色光混合成白光的效果，即演示了(16)三原色光混合成白光的內(nèi)容。將椎縫片和同束分光裝置歸回原位，調(diào)出五條相互平行的平行光束投射在矩形光屏上，繼續(xù)用矩形光屏演示；將帶夾柱面鏡4的凹面正對(duì)五條平行光束夾持在矩形光屏上，由五條平行光束被凹柱面鏡反射回去會(huì)聚在焦點(diǎn)上，即演示了(17)凹面鏡對(duì)平行光線(xiàn)的會(huì)聚內(nèi)容。用刻度盡量出焦點(diǎn)到凹柱面鏡的距離，即演示了(18)測(cè)凹面鏡焦距的內(nèi)容。將凹柱面鏡移至與同束分光裝置的距離小于其焦距的位置，用同束分光鏡分出兩條共點(diǎn)異向光束投射到凹柱面鏡上，得到兩條異向反射光束，把兩虛線(xiàn)絲分別與兩異向反射光束重合在凹面鏡后交于一點(diǎn)，此點(diǎn)即兩異向光束出發(fā)點(diǎn)的虛像，即演示了(19)凹面鏡成虛像光路的內(nèi)容。將帶夾柱面鏡的凸面正對(duì)五條平行光束，用上述方法可以演示(20)凸面鏡對(duì)平行光線(xiàn)的發(fā)散內(nèi)容，(21)則凸面鏡虛焦點(diǎn)的內(nèi)容，(22)凸面鏡成虛向光路的內(nèi)容。將帶夾凹鏡柱透鏡正對(duì)五條平行光束夾持在矩形光屏上，則五條平行光束通過(guò)凹柱透鏡后發(fā)散開(kāi)來(lái)，即演示了(23)凹透鏡對(duì)平行光線(xiàn)的發(fā)散內(nèi)容。用虛線(xiàn)絲定出其虛焦點(diǎn)，再用刻度尺量出其虛焦距，即演示了(24)測(cè)凹透鏡虛焦點(diǎn)的內(nèi)容。用同束分光裝置調(diào)出兩條共點(diǎn)異向光束投射到凹柱透鏡上，在通過(guò)凹柱透鏡后的這兩條異向光束上重合兩虛線(xiàn)絲在鏡后交于一點(diǎn)，此點(diǎn)即兩異向光束出發(fā)點(diǎn)的虛像，即演示了(25)凹透鏡成虛像光路的內(nèi)容。將帶夾凸柱透鏡2正對(duì)五條平行光束夾持在矩形光屏上，則五條平行光束通過(guò)透鏡后會(huì)聚在焦點(diǎn)上，即演示了(26)凸透鏡對(duì)平行光的會(huì)聚內(nèi)容。量出焦點(diǎn)到凸柱透鏡間的距離，即演示了(27)測(cè)凸透鏡焦距的內(nèi)容。將光導(dǎo)單縫片7的光縫置于凸透鏡的焦點(diǎn)上，其聚焦光路毫無(wú)改變，即演示了(28)小孔成像原理的光路內(nèi)容。如果將光導(dǎo)單縫片7的U形光導(dǎo)玻璃棍的一端對(duì)準(zhǔn)一條平行光束，則光束經(jīng)U形玻璃棍從棍的另一端射出顯示在矩形光屏上，即演示了(29)光導(dǎo)現(xiàn)象內(nèi)容。調(diào)節(jié)椎縫片13使矩形光屏上只有三條平行光束，將凸柱透鏡2移至與同束分光裝置的距離小于其焦距的位置，即演示了(30)凸透鏡成虛象的光路內(nèi)容。將凸透鏡2移至與同束分光裝置的距離小于其二倍焦距而大于其一倍焦距的位置，同樣調(diào)出與外側(cè)兩平行光束共出發(fā)點(diǎn)的兩異向光束通過(guò)凸柱透鏡的光心，則兩導(dǎo)向光束和兩外側(cè)平行光束通過(guò)透鏡后分別相交于兩點(diǎn)，此兩點(diǎn)即兩光束出發(fā)點(diǎn)的實(shí)像，即演示了(31)凸透鏡成實(shí)像的光路內(nèi)容。與凸透鏡成實(shí)像、成虛像、凹透鏡成虛像的操作一樣，配用同束分光裝置和虛線(xiàn)絲調(diào)節(jié)兩外側(cè)平行光束，還可以使用凸柱透鏡1與凸透鏡2演示(32)顯微鏡光路內(nèi)容，(33)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡光路內(nèi)容，使用凸柱透鏡2與凹柱透鏡3演示，(34)伽俐略望遠(yuǎn)鏡光路內(nèi)容。則儀器所演示的34項(xiàng)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容至此述完。
權(quán)利要求
1.椎縫投影方法本方法和光具盤(pán)的平行光縫投影方法都是獲得投影平行光束的方法。光具盤(pán)的平行光縫投影方法，是將點(diǎn)光源用凸透鏡會(huì)聚成平行光源后，再用會(huì)聚成的平行光源經(jīng)一道平行光縫或者幾道平行排列的平行光縫投影在光屏上，獲得一道平行光束或者幾道平行排列的平行光束。本方法的特征，是用點(diǎn)光源(包括點(diǎn)絲燈光、直絲燈光或環(huán)絲燈光)直接經(jīng)一道椎形光縫或者幾道共椎頂排列的椎形光縫投影在光屏上，獲得一道平行光束或者幾道平行排列的平行光束。此方法在幾何光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用中應(yīng)用必然會(huì)導(dǎo)致幾何光學(xué)儀器和幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)都向前邁進(jìn)一步，本方法在全能一體高效簡(jiǎn)易幾何光學(xué)演示儀中實(shí)施的結(jié)果足以證實(shí)這一點(diǎn)。
2.全能一體高效簡(jiǎn)易幾何光學(xué)演示儀本儀器是實(shí)施椎縫投影方法實(shí)現(xiàn)所需設(shè)備全部一體定位結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品，和光具盤(pán)一樣都是多功能幾何光學(xué)演示儀器。光具盤(pán)獲得平行演示光束的投影方法、是用點(diǎn)光源會(huì)聚成的平行光源經(jīng)平行光縫投影的投影方法，光具盤(pán)的儀器結(jié)構(gòu)是低壓電源、平行光源。帶平行光縫的矩形光屏、整體圓屏、8件光具及其光具盒等設(shè)備異體分散的臨時(shí)組合結(jié)構(gòu)，光具盤(pán)的8件光具只能演示15項(xiàng)幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其中兩件光具重復(fù)演示兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本儀器的特征，在于其獲得平行光束的方法是直接用點(diǎn)光源的直絲燈光的椎形光縫投影方法，在于其儀器結(jié)構(gòu)是直絲燈、椎縫片裝置、同束分光更向裝置、矩形光屏、組合圓屏、14件帶夾光具裝置均定位結(jié)構(gòu)在燈罩上，形成一體定位的總體結(jié)構(gòu)，在于本儀器刪去了光具盤(pán)的重復(fù)光具直角棱鏡和玻璃磚，在于更光具盤(pán)的整體圓屏為組合圓屏16，在于更光具盤(pán)的異束更向裝置為同束分光更向裝置14，在于更光具盤(pán)的不規(guī)則面透光鏡與反光鏡組合的漫反射鏡為棱面鍍銀漫反射鏡，在于新創(chuàng)8件帶夾光具裝置并將所有的光具都形成帶夾光具裝置，在于本儀器改善演示內(nèi)容3項(xiàng)新增演示內(nèi)容19項(xiàng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2要求保護(hù)椎縫片裝置13本裝置是實(shí)施椎縫投影方法成就本儀器的關(guān)鍵部件之一。其特征是兩片反面疊合配用的相同椎縫片，都開(kāi)有五道相同的共椎頂?shù)淖敌喂饪p，且能共同繞椎頂上的定位螺釘13.3轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變投影平行光束束數(shù)的多少和各束的粗細(xì)，是投影光縫亦是投形光束的控制裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2要求保護(hù)直絲燈裝置18本裝置是實(shí)施椎縫投影方法成就本儀器的關(guān)鍵之二。其特征是燈泡為200W以上的常壓燈，尤其是燈絲排列成一條直線(xiàn)，并且能繞燈頭轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)節(jié)平行投影光束的清晰度，又能隨燈頭前后移動(dòng)以調(diào)節(jié)平行投影光束的平行度，還能隨燈頭左右移動(dòng)以調(diào)節(jié)平行投影光束的居中位置。本裝置是投影光源亦是投影光束的控制裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2要求保護(hù)組合圓屏16光具盤(pán)的圓形屏是一個(gè)整體圓盤(pán)，只能演示反射光線(xiàn)或折射光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)分居法線(xiàn)的兩側(cè)并且反射角與其入射角相等、折射角小于其入射角(空氣中射入其他煤質(zhì))。本圓屏的特征是兩個(gè)半圓屏用像筋結(jié)合成的組合圓屏，除演示整體圓屏演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還能演示反射光線(xiàn)或折身光線(xiàn)與其入射光線(xiàn)在同一平面內(nèi)這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。
6.根據(jù)權(quán)利要求2要求保護(hù)同束分光向裝置14光具盤(pán)的光束更向是異束更向裝置，其內(nèi)束更向時(shí)無(wú)法直示兩異向光束的交點(diǎn)而不能直示成像發(fā)光點(diǎn)的位置。本裝置的特征，是同束分光更向，兩異向光束始終從分光更向反光鏡上端共點(diǎn)出發(fā)，成像發(fā)光點(diǎn)則始終直示在其公共出發(fā)點(diǎn)上，便于學(xué)生直接觀(guān)察也易于學(xué)生理解現(xiàn)象的始末。
7.根據(jù)權(quán)利要求2要求保護(hù)帶夾光具裝置圖4的裝置1至裝置12光具盤(pán)的光具都以光具單體的形式存放在光具盒內(nèi)，使用時(shí)用屏面夾持、懸掛、磁吸等方式定位在屏面上。本裝置的特征，是將所有光具都用單件或組合的形式定位粘接在各自的夾具上，形成12種共14件帶夾光具裝置。本裝置既便于演示操作時(shí)光具在光屏上準(zhǔn)確定位，也便于不用時(shí)光具都在儀器的燈罩上定位夾持存放。
8.根據(jù)權(quán)利要求2和權(quán)利要求7要求保護(hù)帶夾平面棱面鏡裝置11的棱面鏡11.1光具盤(pán)的漫反射鏡是用不規(guī)則透光玻璃片與反光鏡組合而成，實(shí)驗(yàn)時(shí)見(jiàn)不到各個(gè)方向上的反射光線(xiàn)。棱面鏡11.1的特征，是棱面上直接鍍銀而成，實(shí)驗(yàn)時(shí)各個(gè)方向上的反射光線(xiàn)都清晰明確。
9.根據(jù)權(quán)利要求2和權(quán)利要求7要求保護(hù)新創(chuàng)帶夾光具①、帶夾色光混合鏡5，其特征是兩面相交成角的平面鏡粘接在一個(gè)夾具上，用于演示色光的混合。②、帶夾原色透光片6，其特征是一片分為紅、綠、藍(lán)三色段的玻璃片粘接在一個(gè)夾具上，用于演示色光的混合，透明色體對(duì)光的吸收透過(guò)特性，區(qū)分不同發(fā)光點(diǎn)的光路等內(nèi)容。③、帶夾光導(dǎo)單縫片7，其特征是一支U形玻璃棍和一片開(kāi)有一道平行光縫的鐵片組合粘接在一個(gè)夾具上，用于演示光導(dǎo)現(xiàn)象和小孔成像原理的光路④、帶夾三棱鏡8(兩個(gè))，其特征是把三棱鏡粘接在一個(gè)夾具上，用于演示白光的色散和白光的合成，反光色體的顏色等。⑤、帶夾七色屏9，其特征是將夾具長(zhǎng)夾臂的一面涂成白色屏面，在白屏面的邊槽中插入一片兩面分別為紅、黃、藍(lán)和綠、橙、紫三段的六色片9.1，用于演示白光的色散和反光色體的顏色。⑥、虛線(xiàn)絲12兩根，其特征是兩根直線(xiàn)形的鋼絲，用于確定所成虛像的虛像位置。
全文摘要
全能一體高效簡(jiǎn)易幾何學(xué)演示儀，采用嶄新的椎縫投影方法和一體定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，其光屏、椎縫、點(diǎn)光源以及14件光具均定位結(jié)構(gòu)在燈罩上形成一體。與我國(guó)大、中、小學(xué)現(xiàn)實(shí)使用的設(shè)備異體分散臨時(shí)組合的平行光縫聚光投影演示儀器“光具盤(pán)”比較演示內(nèi)容為光具盤(pán)的兩倍多共34項(xiàng)，儀器重量為光具盤(pán)所需設(shè)備的1/8約兩公斤，獲得每一現(xiàn)象的操作時(shí)間少于光具盤(pán)的1/5均不到一分鐘，平行光束的亮度比光具盤(pán)提高五倍多，即使烈日天、演示現(xiàn)象也清晰準(zhǔn)確萬(wàn)無(wú)一失。
文檔編號(hào)G09B23/00GK1130779SQ9510093
公開(kāi)日1996年9月11日 申請(qǐng)日期1995年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月9日
發(fā)明者陳光烈 申請(qǐng)人:陳光烈