便携式反射、透射牛顿环演示仪的制作方法

本发明涉及一种教学和科普演示仪器，特别是一种便携式反射、透射牛顿环演示仪。

背景技术：

牛顿环干涉现象是大学物理波动光学中的重要和典型内容，相关原理和技术在生产、科研中应用较广，比如测量透镜的曲率半径、测量光滑平面的平整度等。但在实际教学中，现有的实验装置必须在暗室环境下、使用显微镜、以钠灯或汞灯作光源才能看实现，这些实验条件限制了在多班合一的理论课堂上根本无法满足：装置复杂无法携带，暗室条件无法达到，用显微镜不能多人同时观看，尤其老师和学生不能同时看到现象，无法同步讲解，而且100多人的大班也没有时间每人轮流看一眼显微镜。现有技术(便携式多光源牛顿环演示仪，专利号cn201521096095.8所使用的牛顿环仪尺寸较小，结构中加装了摄像头，而且必须通过显示器或投影仪才能观察现象，不能演示透射干涉现象和反射、透射的对比，多个光源在不同位置照射产生的干涉图案与光强中心会发生偏移使成像效果变差。

基于上述现状，拟研制一款体积小，便于携带，明室演示效果明显，能同时演示透射、反射现象，不通过摄像装置就能将图像投射到墙上供多人同时观看的便携式反射、透射牛顿环演示仪。拟解决牛顿环演示实验无法进理论课堂的难题，为理论教发明需的课堂演示仪器，达到理论与实验的完美结合，激发学生学习兴趣，提升教学效果。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种便携式反射、透射牛顿环演示仪，该演示仪体积小巧，安装在手提箱内，携带方便，操作简单。通过凸透镜直接成像并投影到屏幕或者白墙上，明室可用，对使用环境要求低。可以直接投影出反射、透射和反射透射同时对比互补的牛顿环干涉图案，采用不同滤色片可滤出多个波段的单色光，演示不同波长的光照下牛顿环干涉图案的特点，适用于课堂教学、科普等多种室内情景下的演示需要。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种便携式反射、透射牛顿环演示仪，该演示仪包括有牛顿环仪、反射光源，其中：所述牛顿环仪中的平凸透镜为曲率半径大于100m、直径在50-100mm的平凸透镜，反射光源为高亮度投影用白光led灯，色温在3500-600k；该演示仪还包括有反射镜、分光板、齿条滑道左支架、齿条滑道、锁紧螺丝、齿条滑道右支架、调焦手拧齿轮、凸透镜、220v插头、总开关、透射光源、透射光开关、电源盒、反射光开关、滤色片组、底板、箱体、滤色片支架、凸透镜框、提手、箱盖、滑块；其中滤色片组包含滤色片框、滤色片一、滤色片二。

所述箱体为立式，箱盖为侧开式可拆卸，底板立式安装在箱底后部；反射镜、牛顿环仪、分光板、凸透镜依次由左向右安装在底板的上部，反射镜、牛顿环仪、分光板、凸透镜的中心在同一条光轴上；所述凸透镜通过凸透镜框安装在滑块上，滑块能够沿齿条滑道固定和滑动，齿条滑道通过齿条滑道左支架、齿条滑道右支架、锁紧螺丝、安装在底板的上边缘；牛顿环仪和凸透镜等高共轴，反射镜的镜面法线朝向右下方，与光轴成45°角；分光板的法线朝向左下方，也与光轴呈45°角，反射镜和分光板的上端均靠近牛顿环仪；透射光源安装在反射镜正下方，发出的光线指向反射镜，透射光源和牛顿环仪位于反射镜法线两侧的对称区域，透射光源发出的光线经反射镜反射后指向牛顿环仪；反射光源安装在分光板正下方，发出的光线指向分光板，反射光源和牛顿环仪位于分光板法线两侧的对称区域，反射光源发出的光线经分光板反射后指向牛顿环仪。

滤色片支架安装在反射光源的出射口上；滤色片一和滤色片二镶嵌在滤色片框中构成滤色片组,滤色片组直接插入滤色片支架，完全遮住反射光源发出的光进行滤光，电源盒安装在透射光源和反射光源中间靠下位置；透射光源和反光源分别通过透射光开关及反射光开关接入电源盒；220v插头通过总开关接入电源盒；总开关、透射光开关、反射光开关安装在电源盒上，凸透镜正对箱体右侧的镜头孔。

本发明的效果是：

(1)能够不借助显示器或投影仪把牛顿环干涉图像直接投影到屏幕或者白墙上供多人观看，适用于教室理论课同步演示等室内演示。

(2)采用分光板，光路与学生分组实验的光路完全一致。

(3)箱盖可开启式结构，开启后可以取下，能够让学生看清光路以及仪器的内部结构，便于教师讲解和学生理解。

(4)可以分别演示反射、透射牛顿环图案，可以通过开关切换对比两种图案，也可以同时显示两种干涉图案的互补相消效果。

(5)调整滤色片可以滤出不同波长的单色光，进而投影出不同波长光的牛顿环干涉图案。移动滤色片改变滤色片遮盖范围还能使投影出的牛顿环连续变色，明显观察到波长与干涉条纹半径的关系。

(6)仪器安装在手提箱内，体积小，便于携带。

附图说明

图1是本发明演示仪的结构；

图2是本发明演示仪的箱体结构图；

图3是本发明演示仪的凸透镜移动机构结构图；

图4是本发明演示仪的滤色片结构图。

图中：

1、反射镜2、牛顿环仪3、分光板4、齿条滑道左支架

5、齿条滑道6、锁紧螺丝7、齿条滑道右支架8、调焦手拧齿轮

9、凸透镜10、220v插头11、总开关12、透射光源

13、透射光开关14、电源盒15、反射光开关16、反射光源

17、滤色片组18、底板19、箱体20、滤色片支架21、凸透镜框

22、提手23、箱盖24、镜头框25、镜头孔26、镜头盖

27、光轴28、滑块29、滤色片一30、滤色片二31、滤色片框

具体实施方式

结合附图对本发明的便携式反射、透射牛顿环演示仪结构加以说明。

本发明的便携式反射、透射牛顿环演示仪的设计思想是针对大学物理中牛顿环的等厚干涉这一内容，设计一款体积小巧、便于携带、能够形成干涉图案并将图案投影于屏幕或白墙之上的实验演示装置，用于演示不同波长、不同照射方式(反射和透射)下的牛顿环干涉现象。本发明采用高亮led白色复合光源，通过滤色片滤出不同波长的单色光，从反射和透射两个方向照射牛顿环仪，通过透镜成像之后投影于屏幕或白墙之上，实现了设计思想。

如图1、2所示，本发明的便携式反射、透射牛顿环演示仪结构是：该演示仪包括有反射镜1、牛顿环仪2、分光板3、齿条滑道左支架4、齿条滑道5、锁紧螺丝6、齿条滑道右支架7、调焦手拧齿轮8、凸透镜9、220v插头10、总开关11、透射光源12、透射光开关13、电源盒14、反射光开关15、反射光源16、滤色片组17、底板18、箱体19、滤色片支架20、凸透镜框21、箱盖23、滑块28；其中滤色片组17包含滤色片框31、滤色片一29、滤色片二30。

如图1、2所示，所述箱体19为立式，箱盖23为侧开式并且可以取下，底板18立式安装在箱底后部；反射镜1、牛顿环仪2、分光板3、凸透镜9依次由左向右安装在底板18的上部，反射镜1、牛顿环仪2、分光板3、凸透镜9的中心在同一条光轴27上；其中凸透镜9通过凸透镜框21安装在滑块28上，滑块28可沿齿条滑道5滑动和固定，齿条滑道5通过齿条滑道左支架4、齿条滑道右支架7、锁紧螺丝6、安装在底板的上边缘；牛顿环仪2和凸透镜9等高共轴，反射镜1的镜面法线朝向右下方，与光轴27成45°角；分光板3的法线朝向左下方，也与光轴27呈45°角，反射镜1和分光板3的上端都靠近牛顿环仪2；透射光源12安装在反射镜1正下方，发出的光线指向反射镜1，透射光源12和牛顿环仪2位于反射镜1法线两侧的对称区域，透射光源12发出的光线经反射镜1反射后指向牛顿环仪2；反射光源16安装在分光板3正下方，发出的光线指向分光板3，反射光源16和牛顿环仪位于分光板法线两侧的对称区域，反射光源16发出的光线经分光板3反射后指向牛顿环仪2；滤色片支架20安装在反射光源16的出射口上；滤色片一29和滤色片二30镶嵌在滤色片框31中构成滤色片组17,滤色片一29和滤色片二30可选用红、绿、黄、橙、蓝等不同颜色自由组合。滤色片组17直接插入滤色片支架20，可以完全遮住反射光源16发出的光进行滤光。电源盒14安装在透射光源12和反射光源16中间靠下位置；透射光源12和反射光源16分别通过透射光开关13及反射光开关15接入电源盒14；220v插头10通过总开关11接入电源盒14；总开关11、透射光开关13、反射光开关15安装在电源盒14上，凸透镜正对箱体19右侧的镜头孔25。

如图1所示，所述透射光源4和反射光源16型号相同，都是高亮度投影用白色复合光led灯；透射光源12发出的光线经反射镜1反射后指向牛顿环仪2以产生透射牛顿环干涉现象；反射光源16发出的光线经分光板3反射后指向牛顿环仪2以产生反射牛顿环干涉现象。

如图1所示，所述透射光源12和反射光源16由独立的透射光开关13和反射光开关15分别控制，互不干扰。可以选择打开其中任何一个或两个同时打开，相应地投影出透射牛顿环图案和反射牛顿环图案以及透射反射互相抵消的牛顿环干涉图案。当同时打开反射和透射光源时，两种照射方式产生的干涉图案光强互补，使图案对比度下降变得模糊。采用凸透镜将牛顿环图案直接投影到幕布或者是墙面上，不需要借助其他显示和投影设备，使用要求低，一台仪器即可完成演示。凸透镜可沿齿条滑道移动实现调焦的功能，可以调节在各个距离上都能投影出清晰的干涉图案。采用高亮度白色复合光源并且加装了组合式滤色片，可以通过滤色片滤出不同波长的光形成多种颜色的干涉图案，移动滤色片改变滤色片遮盖范围还能使投影出的牛顿环连续变色。

如图4所示，所述滤色片组17由滤色片框31及镶嵌在滤色片框31中的滤色片一29和滤色片二30构成，滤色片一29和滤色片二30的颜色可以选择红、绿、黄、橙、蓝中的任何两种，当沿滤色片支架20推拉滤色片组17时，滤出的光由一种颜色突变为另一种颜色，会观察到牛顿环干涉图案相同级次条纹半径的明显变化。

如图3所示，所述凸透镜9安装在凸透镜框21中，凸透镜框21吊装在滑块28下方，齿条滑道5穿过滑块28，锁紧螺丝6和调焦手拧齿轮8安装在滑块上；旋转调焦手拧齿轮8可使凸透镜4在齿条滑道5上左右移动以根据像距调节物距，达到演示效果的大小、远近合适；锁紧螺丝6可将调节滑块28的位置固定。

如图3所示，所述齿条滑道左支架4和齿条滑道左支架7均为倒立的“l”型支架，其后部安装在底板18上，上部安装齿条滑道5。使齿条滑道5的方向满足如下条件：滑块28可左右滑动，锁紧螺丝6和调焦手拧齿轮8朝向箱体外侧。

如图1所示，所述分光板3为半透半反镜片，既能把反射光源16的光反射到牛顿环仪2上，又能让牛顿环仪上的干涉图案穿过它通过透镜成像在幕布或墙壁上。

本发明便携式反射、透射牛顿环演示仪的基本操作步骤：

将本演示正立放置于桌面或其他平面，调整位置使镜头孔25正对着投影屏幕或者墙面。取下镜头盖26。打开并取下箱盖23。将220v插头10插入插座。打开总开关11。打开透射光开关13，此时透射光源12开启并在仪器正对着的屏幕或墙上投影出透射复色光牛顿环图案，若图案不清晰则转动调焦手拧齿轮8直至投影出的图案清晰。关闭透射光开关13后打开反射光开关15，此时反射光源16开启并在投影出反射复色光牛顿环图案。关闭反射光开关15并放置滤色片一7后再次打开可以投影出滤色后光的单色光反射牛顿环图案，调整滤色片可以滤出不同波长的单色光以产生不同波长光的牛顿环干涉图案。移动滤色片改变滤色片遮盖范围使出射光由一种颜色突变为另一种颜色，能使投影出的牛顿环连续变色，可观察到干涉图案圆形条纹半径大小的变化，演示波长与干涉条纹半径的关系。同时打开透射光开关13和反射光开关15可观察透射和反射互补消光之后形成的色彩和明暗均减淡图案。