一种三色光合成法演示圆锥曲线的装置的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种三色光合成法演示圆锥曲线的装置。

背景技术：
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随着技术进步和经济发展，高中等教育越来越需要先进的装备提高教学效果，二次函数、平面解析几何、空间解析几何、光的合成原理等知识，是我国大、中学阶段学习的重要内容，由于受有形物体空间排他性及制造技术的影响，用实物模型表现内容及演示内在联系极为困难，教学中主要靠描述或用简单的平面图形说明，这对于空间概念不丰富的高中生和低年级大学生来说不易深刻理解，教学中急需一些实物装置真实表现所学内容。近阶段也出现了涉及这方面的装置，如，专利申请号为CN200820069548.1的文献中给出了“圆锥曲线演示仪”，将磁铁及细线组合起来，把笔绕在细线上，拧动螺钉来调节细线长短，来精确绘制椭圆或双曲线，此成果主要是画曲线而缺少圆锥面与平面相截的功能，难以体现圆锥曲线的形成过程；专利申请号为CN201420007993.0的文献中给出了“圆锥曲线演示装置”，将透明的圆锥壳体注入水，水面上漂浮有若干荧光颗粒，用光源直接照射圆锥壳体，可根据圆锥壳体内荧光颗粒的分布显示圆锥曲线的各种形成过程，此成果完全用荧光颗粒的分布显示圆锥曲线而缺少圆锥截线及其投影的功能，不能同时演示全部的圆锥曲线。

因此，确有必要对现有技术进行改进以解决现有技术之不足。

技术实现要素：
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本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种三色光合成法演示圆锥曲线的装置。

本发明所采用的技术方案有：一种三色光合成法演示圆锥曲线的装置，包括箱体支架、滑块轴柱、转动机构、定位机构、锥面射灯、平面射灯、烟雾器和控制键盘，滑块轴柱固定在箱体支架的内壁上，转动机构连接在滑块轴柱上，定位机构与锥面射灯均设置在转动机构上，平面射灯固定在定位机构上，控制键盘固定在箱体支架的外壁上，且控制键盘分别对应与转动机构、定位机构、锥面射灯以及平面射灯对应连接，烟雾器置于箱体支架内。

进一步地，所述箱体支架包括底板、顶板、推拉门、后立板、左侧面、右侧面、上轴套、下轴套、上卷轴、上遮光布、右卷轴以及右遮光布，后立板、左侧面、右侧面分别对应固定连接在底板与顶板之间，推拉门滑动插接于底板与顶板之间，下轴套和上轴套分别固定连接在底板与顶板上，上卷轴和右卷轴分别设于顶板和右侧面上，上遮光布和右遮光布分别设于上卷轴和右卷轴上。

进一步地，所述滑块轴柱包括带槽导杆、下圆柱轴、上圆柱轴、滑块、转动把手和弹簧锁卡，上圆柱轴和下圆柱轴分别固定连接在带槽导杆的上下两端，转动把手固定连接在上圆柱轴上，滑块滑动设于带槽导杆上，弹簧锁卡设于滑块上。

进一步地，所述转动机构包括横杆、圆直杆、圆弧支脚、圆轴管、圆轴套、大圆齿轮、伺服电机、小圆齿轮、矩形横杆、圆螺栓、粗糙套环和螺母，圆直杆固定连接在横杆的左端，两圆弧支脚上下分层固定连接在横杆的右端，圆轴管设于两圆弧支脚之间，圆轴套套设于圆轴管上，矩形横杆连接于圆轴套上，圆螺栓设于矩形横杆的右端，粗糙套环和螺母设于圆螺栓上；大圆齿轮套设于圆轴套上，伺服电机设于两圆弧支脚之间，且转轴与小圆齿轮相连，小圆齿轮与大圆齿轮相啮合。

进一步地，所述定位机构包括矩形直杆、直角支杆、圆环套、圆轴杆、转盘和管状电机，直角支杆和圆环套分别固定连接在矩形直杆的上下两端，圆轴杆固定于直角支杆上，管状电机设于圆轴杆上，且转轴与转盘相连。

进一步地，所述所述锥面射灯包括圆盘底座、外圆锥面罩、内圆锥面罩、反光镜、彩灯泡和电路板，在圆盘底座的中心处开有圆锥槽，外圆锥面罩固定于圆盘底座上，内圆锥面罩设于外圆锥面罩内，且内圆锥面罩的下端与圆锥槽相连通，反光镜和彩灯泡设于内、外圆锥面罩之间，电路板设于圆盘底座上，且电路板对应与反光镜和彩灯泡相连。

进一步地，所述平面射灯包括左支架板、右支架板、上灯座底板、下灯座底板、上排灯、下排灯、圆套环、旋转灯架、线形指示灯、下反光镜、上反光镜、下遮光板、上遮光板和接线板，所述上灯座底板和下灯座底板相互平行地固定于左支架板与右支架板之间，上遮光板、上排灯和上反光镜固定于上灯座底板上，下遮光板、下排灯和下反光镜固定于下灯座底板上，旋转灯架固定于右支架板上，线形指示灯设于旋转灯架上，圆套环和接线板设于左支架板上，且接线板对应与上排灯、上反光镜下排灯、下反光镜以及线形指示灯相连。

进一步地，所述烟雾器包括液体容器、容器盖、喷气头、导管、喷雾开关和气体阀门，所述液体容器上设有圆开口，容器盖盖合于圆开口上，喷气头和喷雾开关设于容器盖上，导管穿设于容器盖内，且导管的上端与喷气头相连，导管的中部与喷雾开关相连，气体阀门设于液体容器上。

本发明具有如下有益效果：

本发明操作简单，组装完成后只要打开电气控制开关或移动吸盘就能完成所有演示和实验；功能齐全：能演示高中中职的立体几何、圆锥曲线等，大学数学的空间解析几何，物理学中光的合成实验等；适用性强：选择不同长度的锥面射灯和平面射灯，可以在教室、实验室、家庭等场合进行演示或实验。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中箱体支架的结构示意图。

图3是本发明中滑块轴柱的结构示意图。

图4是本发明中转动机构的结构示意图。

图5是本发明中定位机构的结构示意图。

图6是本发明中锥面射灯的结构示意图。

图7是本发明中平面射灯的结构示意图。

图8是本发明中烟雾器的结构示意图。

图9是本发明中控制键盘的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明一种三色光合成法演示圆锥曲线的装置，包括箱体支架1、滑块轴柱2、转动机构3、定位机构4、锥面射灯5、平面射灯6、烟雾器7和控制键盘8，滑块轴柱2固定在箱体支架1的内壁上，转动机构3连接在滑块轴柱2上，定位机构4与转动机构3相连，锥面射灯5固定在转动机构3上，平面射灯6固定在定位机构4上，控制键盘8固定在箱体支架的外壁上，烟雾器7置于箱体支架内的底板上。

如图2所示，箱体支架1包括底板11、顶板12、推拉门13、后立板14、左侧面15和右侧面16，左侧面15、后立板14和右侧面16对应固定连接在底板11和顶板12之间，在底板11上表面的前边缘设有滑道17，在左后角设有下轴套110。在顶板12下表面的前边沿设有槽沟18，在左后角设有上轴套19。在槽沟18和滑道17之间设有推拉门13，推拉门13的左边沿设有门把锁116。在顶板12的右边线上设有上卷轴111，在上卷轴111上设有上遮光布112，在右侧面16的后边线上设有右卷轴114，在右卷轴114上设有右遮光布115。在后立板14的右下方设有第一销钉孔113。

如图3所示，滑块轴柱2包括带槽导杆21、下圆柱轴22、上圆柱轴23和滑块24，在带槽导杆21的上下两端分别连接上圆柱轴23和下圆柱轴22，在上圆柱轴23的上端设有转动把手25，在带槽导杆21的滑槽中设有滑块24，在滑块24上设有圆插孔26和弹簧锁卡27。

如图4所示，转动机构3包括横杆31、圆直杆32、圆弧支脚33、圆轴管34和矩形横杆39，在横杆31的左端连接一段圆直杆32，在横杆31的右端连接两只圆弧支脚33，在两只圆弧支脚33之间设有圆轴管34，在圆轴管34的外面设有圆轴套35，矩形横杆39连接在圆轴套35上，在矩形横杆39的右端设有圆螺栓310，在圆螺栓310上设有粗糙套环311和螺母312，粗糙套环312固定在圆螺栓310的里端。在圆轴套35的中部设有大圆齿轮36，在两只圆弧支脚33之间设有伺服电机37，在伺服电机37的转轴上设有小圆齿轮38，小圆齿轮38与大圆齿轮36啮合。

如图5所示，定位机构4包括矩形直杆41、直角支杆42、圆环套43、圆轴杆44、转盘45和管状电机47，在矩形直杆41的一端连接圆环套43，另一端连接直角支杆42，在直角支杆42的外端垂直连接圆轴杆44，在圆轴杆44上依次设有三只管状电机47和三只转盘45，每只管状电机47的转子与一只转盘45连接，每只转盘45上都设有第二销钉孔46。

如图6所示，锥面射灯5包括圆盘底座51、外圆锥面罩52、内圆锥面罩53、反光镜54和彩灯泡55，在圆盘底座51的上圆面中心开有圆锥槽57，外圆锥面罩52的下底圆周与圆盘底座51的上圆面圆周相连，内圆锥面罩53的下底圆周与圆锥槽57的圆周相连。在内、外圆锥面罩之间设有反光镜54和彩灯泡55，彩灯泡55是按红绿蓝顺序排列，在圆盘底座51的下底面设有电路板56。

如图7所示，平面射灯6包括左支架板61、右支架板62、上灯座底板63、下灯座底板64、上排灯65、下排灯66和圆套环67，上、下灯座底板63、64的两端分别垂直固定在左、右支架板61、62的上下端并形成矩形框架，在上、下灯座底板63、64的边线分别垂直固定上遮光板614和下遮光板613。在上灯座底板63上设有上反光镜612和上排灯65；在下灯座底板64上设有下反光镜611下排灯66。上、下排灯65、66都是按红绿蓝顺序排列且处于同一个平面上。在右支架板62的外侧设有旋转灯架69，在旋转灯架69上设有线形指示灯610，在左支架板61上设有圆套环67和接线板615，在圆套环67的环面上开有圆钉孔68。

如图8所示，烟雾器7包括液体容器71、容器盖73、喷气头74和喷雾开关76，液体容器71是底面封闭的刚性液体器皿，在液体容器71上设有圆开口72及气体阀门77，在圆开口72上设有容器盖73，在容器盖73上端设有喷气头74，在容器盖73内有导管75穿过，在容器盖73上设有喷雾开关76，导管75上端与喷气头74相连，中部与喷雾开关76相连，气体阀门56有管口伸出用于注入气体。

如图9所示，控制键盘8包括键盘底板81、外平面射灯键82、中平面射灯键83、内平面射灯键84、伺服电机键85、微电机键86和锥面射灯键89。

外平面射灯键82、中平面射灯键83、内平面射灯键84分别对应与平面射灯6中的接线板615相连；伺服电机键85与转动机构3中的伺服电机37相连；微电机键86与定位机构4中的管状电机47相连；锥面射灯键89与锥面射灯5中的电路板56相连。

本发明的工作原理是，根据光合成及同轴多平面旋转原理，将红绿蓝三种原色光源形成的圆锥面灯、平面灯，将内中外三种平面灯套在同一转轴上，通过两种不同原色光合成新色光束，从而达到演示功能。

本发明具有演示圆锥截线的功能，操作步骤是：

a）：装置合成：组装烟雾器，打开烟雾器的容器盖，向液体容器中注入液体后拧紧容器盖，关闭喷雾开关，用打气筒压入足够的空气。系统组装，打开箱体支架的推拉门，先把滑块轴柱上的转动把手卸下，将滑块轴柱的上圆柱轴和下圆柱轴分别穿过箱体支架内的上轴套和下轴套，把转动把手拧上；将转动机构一端的圆直杆插入滑块轴柱上滑块的圆插孔内，关闭弹簧锁卡使滑块固定，取两只锥面射灯（分别记为W₁,W₂），按W₁朝上W₂朝下的方式固定在转动机构上的圆轴管内，W₁与W₂的底相连，将W₁和W₂的内圆锥面顶点记为点O₀，卸下圆螺栓上的螺母，将定位机构的圆环套套在圆螺栓上并拧上螺母；取甲乙丙三种规格的平面射灯（分别记为L₁,L₂,L₃），按L₁在外L₂在中L₃在内的顺序套在一起，并使线形指示灯处于同一侧，将三只平面射灯的圆环套按序分别套在定位机构的三只转盘上，在第一销钉孔处用销钉固定，将各电器的导线接入控制键盘的导线接口，用螺钉控制键盘固定在箱体支架的后立板上，将烟雾器置于暗箱底板上。

b）：初始状态调整，打开滑块轴柱中滑块上的弹簧锁卡，调整转动机构处于合适的高度后关闭弹簧锁卡使滑块固定，旋转滑块轴柱上的转动把手将定位机构上的原点O₀处在箱体支架的中部，并使点O₀分别在底板左侧面后立板上的投影与其上的平面直角坐标系O_3xy、O_2xz、O_1yz的原点重合，旋转转动机构的横杆使两锥面射灯W₁和W₂的中心线与箱体支架的顶板垂直,投影分别与O_2xz、O_1yz的纵轴重合，打开锥面射灯的红灯开关，松掉螺母转动定位机构在平面射灯接近锥面射灯W₁和W₂之间无红光的位置时拧紧螺母使其固定，关闭锥面射灯的开关；打开一种平面射灯（绿灯）开关，转动平面射灯上的线形指示灯与绿灯光线平行，打开伺服电机键在线形指示灯与左侧面O_2xz平行时关闭，关闭平面射灯开关，抽拉上卷轴和右卷轴上的遮光布盖住暗箱支架的顶板和右侧面。

c）：演示空间曲面及其相互关系，打开锥面射灯的红灯开关，把烟雾器置于光束下方打开喷气开关，在烟雾反射下，通过前门开口看到黑暗的箱体内显示由红色光束形成的圆锥面，变换灯光颜色能够出现三色的圆锥面，关闭锥面射灯开关，打开外平面射灯红色开关，看到红色平面光束，再打开外平面射灯键，会看到红色平面光束绕轴旋转。

d）：演示圆锥截线，打开锥面射灯的红灯开关，打开外平面射灯绿色开关，把烟雾器置于光束下方打开喷气开关，打开外平面射灯键让其转动，绿色平面光束与红色圆锥面光束相交，有黄色的光束出现，随平面射灯的转动黄色光束可以是双曲线、抛物线、椭圆等。

e）：结束，关闭所有开关，旋转滑块轴柱上的转动把手将定位机构及其连接部件靠近箱壁，松开滑块上的弹簧锁卡将其移到底部并固定，关上推拉门并锁住。

本发明具有同时演示多种圆锥截线的功能，操作步骤是：

一）、二）同上述演示圆锥截线中步骤a）、b）。

三）：同时演示多种圆锥截线，打开锥面射灯W₁和W₂的红灯开关，把烟雾器置于光束下方打开喷气开关，先打开外平面射灯L₁的绿色开关，开启外平面射灯键让其转动，当L₁的光束只与W₁和W₂同侧的母线相交时关闭外平面射灯键，由绿色光束和红色光束合成的黄色曲线就是双曲线；再打开L₂的蓝色开关，开启中平面射灯键让其转动，当L₂的光束只与W₁或W₂中一个的同侧母线相交时关闭中平面射灯键，由蓝色光束和红色光束合成的品红色曲线就是抛物线；最后打开L₃的绿色开关，开启内平面射灯键让其转动，当L₃的光束只与W₁或W₂所有母线相交时关闭内平面射灯键，由绿色光束和红色光束合成的黄色曲线就是椭圆。

四）：同时演示圆锥截线多方向的投影曲线，从正前方看三种圆锥截线在后立板O_1yz上的投影曲线，也有圆锥面的正视图；关上推拉门，卷起右遮光布，透过透明的右侧面能够看到曲面及截线在O_2xz上的投影曲线，也有圆锥面的左视图；关上推拉门，展开右遮光布，卷起上遮光布，透过透明的顶板能够看到曲面及截线在O_3xy上的投影曲线，也有圆锥面的俯视图。

五）：结束，关闭所有开关，旋转滑块轴柱上的转动把手将定位机构及其连接部件靠近箱壁，松开滑块上的弹簧锁卡将其移到底部并固定，卷遮光布，关上推拉门并锁住。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。