手持式動態光波衍射演示儀的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種手持式動態光波衍射演示儀，該演示儀包括相互可旋轉套接的有機玻璃管A、有機玻璃管B，還包括電源盒、綠光激光器、紅光激光器、可調狹縫裝置、光柵位槽、測量標尺和總開關、紅光開關、綠光開關；在有機玻璃管A和有機玻璃管B套接處分別開有兩對孔，所述兩對孔為對稱設置，兩對孔的軸線與可調狹縫裝置的狹縫方向平行，所述孔內插入儀器支架的兩端；在有機琉璃管B的一側設置有測量標尺，綠光激光器、紅光激光器的光束投射到所述測量標尺上。有益效果是該演示儀體積小巧，便于攜帶，直接用于課堂教學，在教室中可以選擇比較暗的區域作為背景進行演示，方便靈活。還可以定量測量，而且測量標尺可以很方便地用自帶的磁性直接貼在黑板上。
【專利說明】手持式動態光波衍射演示儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種教學儀器，特別是一種手持式動態光波衍射演示儀。
【背景技術】
[0002]光學是大學物理課程一個重要組成部分，光的衍射特性是光學部分的一個重要知識點，鑒于該特性不易被初步接觸的學生所理解，因此考慮通過現場直觀的課堂實驗演示，以促進學生理解掌握光的衍射特性，從而提升大學物理課程的教學效果。
[0003]目前，光學類的儀器很多，但是儀器的體積規模都很笨重和龐大，不方便攜帶，而且要求的實驗環境條件也比較高，如弱光條件等；同時，實驗室演示教學不能保證學生的實驗與理論課進度相同，從而達到理論與實踐的有機結合。就光波衍射而言，現有的小型手持實驗儀器(手持波動光學演示儀，專利號:ZL200820122697.X)不能同時顯示兩束不波長光波的衍射現象，不能動態測試單縫寬度連續變化時衍射條紋的變化規律，只能定性演示，不能定量測量和計算來驗證理論結果。

【發明內容】

[0004]針對現有技術中結構上的不足，本發明的目的是提供一種手持式動態光波衍射演示儀，該教學儀器體積小，重量輕，不用外接電源，演示效果直觀、易操作，既可定性演示，又可定量測量，能夠滿足大學物理中波動光學的教學要求，有助于提高學生的理解力。
[0005]為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種手持式動態光波衍射演示儀，其中:該演示儀包括相互可旋轉套接的有機玻璃管A、有機玻璃管B，還包括電源盒、綠光激光器、紅光激光器、可調狹縫裝置、光柵位槽、測量標尺和總開關、紅光開關、綠光開關;
[0006]將所述電源盒通過輸出導線與總開關連接，總開關分別通過綠光開關連接綠光激光器、通過紅光開關連接紅光激光器，電源盒、綠光激光器、紅光激光器通過螺絲固定在有機玻璃管A內，總開關、紅光開關、綠光開關固定在有機玻璃管A的管壁上；在有機玻璃管B管壁上開兩個矩形孔，第一個矩形孔內安裝可調狹縫裝置，第二個矩形孔為光柵位槽，在有機玻璃管A和有機玻璃管B套接處分別開有兩對孔，所述兩對孔為對稱設置，兩對孔的軸線與可調狹縫裝置的狹縫方向平行，所述孔內插入儀器支架的兩端；在有機琉璃管B的一側設置有測量標尺，綠光激光器、紅光激光器的光束投射到所述測量標尺上。
[0007]本發明的效果是:
[0008](I)體積小巧，整體體積可控制在300 (長)X 60 (寬)X 100 (高)mm以內，便于攜
帶，可以直接用于課堂演示教學，替代了傳統的只能在實驗室演示，解決了演示實驗與理論教學不能同步的問題。
[0009](2)采用手持式，在教室中可以選擇比較暗的區域作為背景進行演示，方便靈活。
[0010](3)采用縫寬可調的狹縫裝置作為主要衍射元件，能夠通過調節縫寬動態地演示和測量縫寬改變時衍射條紋的變化。[0011](4)用螺絲可以對狹縫裝置與激光器相對位置進行微調，來演示二者相對移動時衍射條紋的變化情況。
[0012](5)配備了測量標尺，除定性演示之外，還可以定量測量，而且測量標尺可以很方便地用自帶的磁性直接貼在黑板上。
[0013](6)可以使不同波長的紅、綠兩束光同時通過衍射屏，進行定量對比和測量。
[0014](7)結構簡單，成本低，投資少，便于推廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發明演示儀的整體結構圖；
[0016]圖2是本發明演示儀的框架圖；
[0017]圖3是本發明演示儀的激光器電源控制電路示意圖；
[0018]圖4是本發明演示儀的激光器固定調節結構俯視圖；
[0019]圖5是本發明演示儀的激光器固定調節結構前視圖；
[0020]圖6是本發明演示儀的可調狹縫裝置和光柵位槽結構示意圖；
[0021]圖7是本發明演示儀的支架安裝圖。
[0022]圖中:
[0023]1、有機玻璃管A 2、有機玻璃管B 3、電源盒4、綠光激光器
[0024]5、紅光激光器6、可調狹縫裝置7、光柵位槽
[0025]8、狹縫定位螺釘和彈簧9、縫寬調節螺桿10、總開關
[0026]11、綠光開關12、紅光開關13、螺絲
[0027]14、儀器支架15、光柵片16、測量標尺
[0028]17、有機玻璃管A和有機玻璃管B的軸線
【具體實施方式】
[0029]結合附圖對本發明的手持式動態光波衍射演示儀結構加以說明。
[0030]本發明的手持式動態光波衍射演示儀結構是，該演示儀包括相互可旋轉套接的有機玻璃管Al、有機玻璃管B2，還包括電源盒3、綠光激光器4、紅光激光器5、可調狹縫裝置
6、光柵位槽7、測量標尺16和總開關10、紅光開關11、綠光開關12。
[0031]將所述電源盒3通過輸出導線與總開關10連接，總開關10分別通過綠光開關11連接綠光激光器4、通過紅光開關12連接紅光激光器5，電源盒3、綠光激光器4、紅光激光器5通過螺絲13固定在有機玻璃管Al內，通過調節螺絲13使兩激光器光束平行并且相互距尚盡量小，兩激光束中軸線與有機玻璃管A共軸。總開關10、紅光開關11、綠光開關12固定在有機玻璃管Al的管壁上，使操作者能方便控制總電源、每個激光器的開或關。
[0032]在有機玻璃管B2管壁上前后依次開兩個矩形孔，第一個矩形孔內安裝可調狹縫裝置6，第二個矩形孔為光柵位槽7，可調狹縫裝置6平面與有機玻璃管B2軸線垂直，使縫寬調節螺桿9露在管外，在可調狹縫裝置6上與調節螺桿9對應的另一側開有一個螺絲孔，用狹縫定位螺絲和彈簧8控制可調狹縫裝置6整體與管壁的距離，使狹縫中心與有機玻璃管B2中心基本重合。所述可調狹縫裝置6通過旋轉縫寬調節螺桿9調節狹縫寬度，通過縫寬調節螺桿9上的刻度讀出狹縫寬度值。在保證有機玻璃管B2機械強度的情況下離第一個矩形孔盡量近地開第二個矩形孔，第二個矩形孔即光柵位槽7，矩形孔長和寬正好能放入一個光柵片15，放入光柵矩形后要保證光柵刻痕方向與狹縫的方向相同。
[0033]在有機玻璃管Al和有機玻璃管B2套接處分別開有兩對孔，所述兩對孔為對稱設置，兩對孔的軸線與可調狹縫裝置6的狹縫方向平行，有機玻璃管B2可繞套接處旋轉，用于調節狹縫和光柵的角度，使兩束激光能夠同時平行通過狹縫和光柵。所述孔內插入儀器支架14的兩端用以支撐，又可固定兩個有機玻璃管不致脫離。在有機玻璃管B2的一側設置有測量標尺16，綠光激光器4、紅光激光器5的光束投射到所述測量標尺16上。所述支架14可繞管壁的孔旋轉，手持定性演示時支架收起，精確定量測量時放下支架可把儀器穩定于桌子上。
[0034]所述綠光激光器4、紅光激光器5所投射光為兩條距離較近的平行光并與有機玻璃管Al和有機玻璃管B2的軸線平行。兩激光強度接近，可以通過綠光開關11、紅光開關12分別選擇發紅光，綠光，或同時發紅、綠光，可以同時對比和測量不同波長的光的衍射條紋之間關系。
[0035]所述可調狹縫裝置6的上端為帶有刻度的縫寬調節螺桿9，下端連接狹縫定位螺絲和彈簧8。既可調節和測量狹縫寬度，又可調節狹縫激光器的相對位置，可以動態演示縫寬或縫的位置改變時衍射條紋的變化。
[0036]所述光柵位槽7內放置有觀察和測量光波衍射現象的光柵片和多縫板。
[0037]所述電源盒3內裝有與綠光激光器4、紅光激光器5電壓相匹配的干電池組。
[0038]所述有機玻璃管A和有機玻璃管B均為透明材料，可直觀地觀察內部結構并進行調節，更適于演示教學。所述測量標尺16為磁性材料制作的。
[0039]所述總開關10、綠光開關11和紅光開關12構成了總、分二級開關，避免誤操作一個開關就打開激光器現象的發生，提高了安全性。
[0040]本發明的手持式動態光波衍射演示儀功能是這樣實現的:
[0041]如圖1、2所示，本手持式動態光波衍射演示儀結構包括有相互套接的機玻璃管A1、有機玻璃管B2，還包括電源盒3、綠光激光器4、紅光激光器5、可調狹縫裝置6、光柵位槽
7、測量標尺16和總開關10、綠光開關11、紅光開關12等。
[0042]將用干電池串聯組成的與激光器電壓相匹配的電源盒3通過輸出導線接入總開關10，再分別通過綠光開關11接到綠光激光器4、通過紅光開關12接到紅光激光器5，電源盒3、總開關10、綠光開關11、紅光開關12和綠光激光器4、紅光激光器5由后向前，以激光發射方向為前，用螺絲13固定在有機玻璃管Al內，如圖1、3所示。通過調節綠光激光器4和紅光激光器5的螺絲13使兩激光器光束平行并且相互距離盡量小，兩激光束中軸線與有機玻璃管Al共軸,如圖4、5所不，圖4中點劃線為有機玻璃管Al和有機玻璃管B2的軸線，虛線為激光光束。開關控制按鈕露在有機玻璃管Al的側壁之外，使操作者能方便控制總電源、每個激光器的開或關。
[0043]有機玻璃管B2側壁由后向前依次開兩個矩形孔，后端預留與有機玻璃管Al套接的長度后開第一個孔，該孔恰好能插入可調狹縫裝置6，可調狹縫裝置平面與有機玻璃管軸線垂直，使縫寬調節螺桿9露在管外，在狹縫裝置上與螺桿對應的另一側開有一個螺絲孔，用狹縫定位螺釘和彈簧8控制狹縫裝置整體與管壁的距離，使狹縫中心與有機玻璃管中心基本重合；在保證有機玻璃管B2機械強度的情況下離第一個孔盡量近的位置開第二個孔即光柵位槽7，孔長和寬正好能放入一個光柵片，如圖6所示。放入光柵后要保證光柵刻痕方向與狹縫的方向相同，有機玻璃管B2可繞套接處旋轉，用于調節狹縫和光柵的的角度，使兩束激光能夠同時平行通過狹縫和光柵，如圖5所示，圖5中虛線為狹縫和光柵刻痕方向。在有機玻璃管Al和有機玻璃管B2雙管套接處，沿狹縫方向穿過兩層管壁對應開孔，孔內既可安裝儀器支架14，又可固定兩個有機玻璃管不致脫離，有機玻璃管B2上的孔沿圓周方向稍長，使兩管可繞軸小角度旋轉以調節狹縫和光柵片方向，如圖7所示。該演示儀還包括用磁性橡膠薄片制作的測量標尺16，綠光激光器4、紅光激光器5的光束投射到所述測量標尺16上，測量標尺16標有明顯刻度可貼在黑板或其他適宜處上。
[0044]所述綠光激光器4、紅光激光器5所形成的光路為兩束相距較近的平行光，電源盒3為給二個激光器提供能量的相匹配的電池組。
[0045]所述可調狹縫裝置6的上端為帶有刻度的縫寬調節螺桿9，縫寬在O-2mm間可精連續調節的，并在調節螺桿9上讀出寬度值。可調狹縫裝置6下方連接狹縫定位螺釘和彈簧8，狹縫位置可在O-3mm范圍內移動。
[0046]所述光柵位槽7內放入光柵片15后即可演示和測量光柵衍射，還可以放入多縫板等不同類型的光學元件，用于演示其他光學規律。
[0047]本發明的手持式動態光波衍射演示儀基本原理是:根據大學物理教材中關于光波衍射原理加以實現。由于本儀器的綠色光激光器4、紅光激光器5發出的激光可視為平行光，可以認為光源和衍射器件的距離為無窮遠，且屏幕相對于衍射器件距離在相對尺度上可認為是無窮遠，因此本儀器的衍射屬于夫瑯禾費衍射。
[0048]當光照射在單縫上時，屏幕上衍射圖案的中央明紋線寬度為:
【權利要求】
1.一種手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:該演示儀包括相互可旋轉套接的有機玻璃管A (I)、有機玻璃管B (2)，還包括電源盒(3)、綠光激光器(4)、紅光激光器(5)、可調狹縫裝置(6)、光柵位槽(7)、測量標尺(16)和總開關(10)、紅光開關(11)、綠光開關(12)； 將所述電源盒(3)通過輸出導線與總開關(10)連接，總開關(10)分別通過綠光開關(11)連接綠光激光器(4)、通過紅光開關(12)連接紅光激光器(5)，電源盒(3)、綠光激光器(4)、紅光激光器(5)通過螺絲(13)固定在有機玻璃管A (I)內，總開關(10)、紅光開關(11)、綠光開關(12)固定在有機玻璃管A (I)的管壁上；在有機玻璃管B (2)管壁上開兩個矩形孔，第一個矩形孔內安裝可調狹縫裝置(6)，第二個矩形孔為光柵位槽(7);在有機玻璃管A (I)和有機玻璃管B (2)套接處分別開有兩對孔，所述兩對孔為對稱設置，兩對孔的軸線與可調狹縫裝置(6)的狹縫方向平行，所述孔內插入儀器支架(14)的兩端；在有機琉璃管B (2)的一側設置有測量標尺(16)，綠光激光器(4)、紅光激光器(5)的光束投射到所述測量標尺(16)上。
2.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述綠光激光器(4)、紅光激光器(5)所投射光為兩條距離較近的平行光并與有機玻璃管A (I)和有機玻璃管B (2)的軸線平行。
3.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述可調狹縫裝置(6)的上端為帶有刻度的縫寬調節螺桿(9)，下端連接狹縫定位螺絲和彈簧(8)。
4.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述光柵位槽(7)內放置有觀察和測量光波衍射現象的光柵片和多縫板。
5.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述電源盒(3)內裝有與綠光激光器(4)、紅光激光器(5)電壓相匹配的干電池組。
6.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述測量標尺(16)為磁性材料制作的。
7.根據權利要求1所述的手持式動態光波衍射演示儀，其特征是:所述可調狹縫裝置(6)通過旋轉縫寬調節螺桿(9)調節狹縫寬度，通過縫寬調節螺桿(9)上的刻度讀出狹縫寬度值。
【文檔編號】G09B23/22GK103440804SQ201310343347
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】楊廣武, 江越, 朱飛, 劉枝朋, 金光浩 申請人:天津城建大學