一种可替换式大型莫尔条纹原理演示装置的制作方法

本发明属于演示物理仪器制作领域，具体是一种可替换式大型莫尔条纹原理演示装置，涉及莫尔条纹光栅动画制作方法及演示装置。

背景技术：

莫尔条纹是18世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹这种光学现象中的花纹就是莫尔条纹。莫尔条纹是由两个周期性结构图案重叠时所产生的差频或拍频图案形成的，该原理在生活和工程中具有广泛的应用。利用该现象可以实现精密位移测量，被广泛应用于光栅位移测量、精密位移测量等领域。

由于该原理仅限于文字描述，在物理教学过程中，无法让学生产生客观形象的理解。因此需要研发一款装置简单、参与度高、现象直观的教学仪器，不仅有利于激发学生学习兴趣，还可以提高学生的动手能力。

现有的莫尔条纹原理展示装置(申请号201820080505.7)提供了一种手摇式的转动装置实现动态条纹动画，包含29个部件，装置复杂；莫尔条纹图案不可替换，动画效果单调，运动方式有限；装置过小，不利于课堂演示和学生的观察。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，为了提供一种更直观显示且便于观察、制作方法简便、演示效果更稳定的动态莫尔条纹演示装置，本申请人根据多年教学实践经验，提出了一种可替换式大型莫尔条纹原理演示装置。利用本仪器可以自主设计需要演示的动态图样，并直观显现较大画体，产生持续稳定的动画效果。

依据本发明的技术方案，提供一种可替换式大型莫尔条纹原理演示装置，其包括由五根铝合金材质u型导轨和两根铝合金“口形”支撑支架组成的支架、带滚轮的光栅板、若干可替换式光栅背景画以及由三个滑轮及传送带组成的传动装置；其中利用ps软件将设计好的光栅图案和光栅背景画分别印刷在透明亚克力板上和kt板上；2根铝合金材质u型导轨装置组成第一轨道，2个轨道上下对称排列。轨道长140cm，内宽6mm，底厚2mm。其中莫尔条纹格栅的制作方案利用ps软件将设计的格栅周期可以根据操作者自定义。

优选地，可替换式大型莫尔条纹原理演示装置中的3根铝合金材质u型导轨按“u”型组装，组成第二轨道；2根铝合金材质u型导轨装置组成纵向轨道，轨道长50cm，内宽6mm，底厚2mm，1根铝合金材质u型导轨轨道轨道长60cm，内宽6mm，底厚2mm。

优选地，可替换式大型莫尔条纹原理演示装置中的第一轨道和第二轨道通过螺丝使其固定在一起，第一轨道在前，第二轨道在后，两种轨道紧密贴合；第一轨道中两u型导轨间距47cm，第二轨道中两u型导轨横向轨道间距60cm；轨道底部装有2根铝合金“口形”支撑支架，用于支撑仪器支架，长40cm，宽2cm高2cm，中间“口”形区域宽6mm，高4mm，以便同步带可以通过。

优选地，可替换式大型莫尔条纹原理演示装置中的光栅板为透明亚克力材质，尺寸为长×宽×厚＝60cm×40cm×5mm，上印有周期的光栅图案。

进一步地，光栅板底部装有两个可以自由滚动的滚轮，光栅板与滚轮的高度总高为47cm，光栅板可以整好插入横向轨道之间，利用光栅板的滚轮可以在两轨道之间自由移动；若干可替换式光栅背景画为kt板材质，尺寸为长×宽＝60cm×50cm。操作者可以根据自己需求制作。

更进一步地，传动装置由三个滑轮及2根同步带组成；三个滑轮包括第一滑轮、第二滑轮、第三滑轮；第一滑轮由1个铝合金金属板、1个轴承、1个铝制空心圆柱体以及1个连杆组成。铝合金金属板尺寸为长×宽×厚＝2cm×1cm×2mm，金属板右侧开一4mm直径圆孔，左侧开一6mm直径圆孔。铝制空心圆柱体，外径20mm，内径2mm，轴承，外径为6mm，内径2mm，厚2mm，轴承和通空心圆柱体过直径2mm连杆紧紧连在一起，并将轴承固定到金属板左侧圆孔中。

更优选地，第一滑轮由1个铝合金金属板、1个轴承、2个铝制空心圆柱体以及1个连杆组成。铝合金金属板尺寸为长×宽×厚＝2cm×1cm×2mm，金属板右侧开一4mm直径圆孔，左侧开一6mm直径圆孔。铝制空心圆柱体，外径20mm，内径2mm，轴承，外径为6mm，内径2mm，厚2mm，轴承和通空心圆柱体过直径2mm连杆紧紧连在一起，并将轴承固定到金属板左侧圆孔中。

此外，第一滑轮由1个铝合金金属板、1个轴承、1个铝制空心圆柱体以及1个曲柄连杆组成。铝合金金属板尺寸为长×宽×厚＝2cm×1cm×2mm，金属板下侧开一4mm直径圆孔，上侧开一6mm直径圆孔。轴承，外径为6mm，内径2mm，厚2mm，空心圆柱体，外径20mm，内径2mm，通过曲柄连杆连接到一起，并固定到金属板上侧圆孔中。

另一方面，2根同步带包括一根断开的同步带，长度222cm，宽5mm；一根闭合的同步带，长度125cm，宽5mm。断开的同步带首尾与光栅板两侧相连，并连接第一滑轮和第二滑轮，通过“口形”支架。闭合同步带连接第二滑轮和第三滑轮；或者通过转动第三滑轮的曲柄连杆可以联动光栅板左右移动；或者光栅板与光栅背景画交叠时可以产生莫尔条纹现象。

与现有技术相比，本发明的特色与创新点为：本发明所使用的光栅背景画以及光栅板可以自主设计更换，操作者通过自主设计背景画，一方面提高了操作者的兴趣，另一方面提高了仪器的可玩性。本发明装置操作简单，通过手摇滑轮即可实现莫尔条纹现象演示。本发明装置允许设计的尺寸非常大，可以在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。总之，本发明装置可以演示莫尔条纹现象，互动性强。作为教学仪器具有较好的教学效果，作为科普仪器具有较强的科普性。

附图说明

图1a和图1b为本发明仪器的结构示意图，图1a为仪器的立体结构示意图，图1b为结构侧视图。

图2a和图2b为本发明仪器的光栅板滚轮结构示意图，图2a为滚轮的立体结构示意图，图2b为滚轮侧视图。

图3a和图3b分别为本发明仪器第一滑轮正视图(3a)和侧视图(3b)；

图4a和图4b分别为本发明仪器第二滑轮正视图(4a)和侧视图(4b)；

图5a和图5b分别为本发明仪器第三滑轮正视图(5a)和侧视图(5b)；

图6为本发明仪器传动装置组合结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明仪器中的附图，对本发明仪器实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明仪器中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

本发明的可替换式大型莫尔条纹原理演示装置包括莫尔条纹格栅的制版方案以及莫尔条纹原理演示装置。装置包括由四根铝合金材质u型导轨和两根铝合金“口形”支撑支架组成的支架、带滚轮的光栅板、若干可替换式光栅背景画以及由三个滑轮及传送带组成的传动装置四部分组成。通过传动装置可以联动光栅板左右移动，与光栅板背后的光栅背景画交叠时产生莫尔条纹现象。与现有技术相比，本发明所使用的光栅背景画以及光栅板可以自主设计更换，操作者通过自主设计背景画，一方面提高了操作者的兴趣，另一方面提高了仪器的可玩性。

进一步地，本发明的可替换式大型莫尔条纹原理演示装置主要由四根铝合金材质u型导轨和两根铝合金“口形”支撑支架组成的支架、带滚轮的光栅板、若干可替换式光栅背景画以及由三个滑轮及传送带组成的传动装置四部分组成。所述的支架由2根铝合金材质u型导轨装置组成第一轨道，2个轨道上下对称排列；3根铝合金材质u型导轨按“u”型组装，组成第二轨道，第一轨道和第二轨道通过螺丝使其固定在一起，第一轨道在前，第二轨道在后，两种轨道紧密贴合；轨道底部装有2根铝合金“口形”支撑支架，与第一轨道垂直，并且与第二轨道的竖导轨在一平面上。所述的带滚轮的光栅板是利用ps技术设计的光栅图案印刷到透明亚克力板上，亚克力板底部装有两个可以自由滚动的滚轮，光栅板插入第一轨道之间，并可以在两轨道之间自由移动。所述的可替换式光栅背景画是利用ps技术设计的光栅背景画打印到kt板上，可以插入到第二轨道之间，并可以自由替换。所述的传动装置包含三个自己设计的滑轮装置及2条同步带。第一滑轮为单侧滑轮，第二滑轮为双侧滑轮，第三滑轮为手摇式滑轮。第一滑轮与第二滑轮分别安装到底部横向导轨左侧和右侧。其中一条同步带从中间切开，穿过轨道底部的“口形”支撑支架，两边分别与光栅板两侧固定，并固定到第一滑轮与第二滑轮上。第三滑轮通过一闭合同步带与第二滑轮连接。通过手摇第三滑轮，带动第二滑轮与第一滑轮转动，从而使光栅板移动。

使用本发明的系统，可以制作莫尔条纹格栅，具体为:

1、光栅板的制作：将设计好尺寸的竖直线性光栅印刷在亚克力板上。

2、光栅背景画的制作：

(1)利用照相机或计算机等方法获取gif格式的动态图片。

(2)将上述gif格式动图，导入photoshop软件，以gif的帧数是6帧为例。

(3)使用ps制作出上述光栅，并复制出六个光栅底层，每个依次比前一个向右一个光栅板周期。

(4)匹配光栅与帧数，如第二光栅匹配第二帧。关闭其他图层，只留下第一光栅和第一帧，此时选中第一光栅图层。用魔棒工具选择空白，并选择选择反向，建立光栅的选区。然后选取第一帧的图层，点击delete删除选区内图案。

(5)用同样的方法处理剩余帧，并关闭所有光栅，打开所有帧，合并图层打印，即可得到所需要的光栅底片。

(6)将所得的前置光栅和后置动画图样导出为png格式，按装置的尺寸要求打印到kt板上即可。

使用上述的莫尔条纹格栅演示莫尔条纹。

将上述打印的kt板插入到装置中纵向导轨之间。通过手摇第三滑轮，带动第二滑轮与第一滑轮转动，从而使光栅板移动。随着光栅板的移动，与光栅背景画重叠时，变会出现动态动画效果，即实现了莫尔条纹现象的演示。

更具体的实施方式如下：莫尔条纹格栅的制作方案

1、光栅板的制作：设计条纹宽度为0.5mm，间距为0.1mm的光栅，并印刷在透明亚克力板上，亚克力板尺寸为长×宽×厚＝60cm×40cm×5mm。

2、光栅背景画的制作：

(1)利用计算机制作6帧的gif格式动态图片。

(2)将上述gif格式动图，导入photoshop软件，设置图片尺寸为长×宽＝60cm×50cm。

(3)使用ps制作出上述光栅，并复制出六个光栅底层，每个依次比前一个向右移动0.1mm。

(4)匹配光栅与帧数，如第二光栅匹配第二帧。关闭其他图层，只留下第一光栅和第一帧，此时选中第一光栅图层。用魔棒工具选择空白，并选择选择反向，建立光栅的选区。然后选取第一帧的图层，点击delete删除选区内图案。

(5)用同样的方法处理剩余帧，并关闭所有光栅，打开所有帧，合并图层打印，即可得到所需要的光栅底片。

(6)将所得的前置光栅和后置动画图样导出为png格式，按1：1尺寸要求打印到kt板上。

下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

图1a为仪器的立体结构示意图，图1b为结构侧视图。图2为本发明仪器的光栅板滚轮结构示意图，图2a为本发明仪器的光栅板滚轮结构的立体结构示意图，图2b为本发明仪器的光栅板滚轮结构侧视图。图3a和图3b分别为本发明仪器第一滑轮正视图(3a)和侧视图(3b)。图4a和图4b分别为本发明仪器第二滑轮正视图(4a)和侧视图(4b)。图5a和图5b分别为本发明仪器第三滑轮正视图(5a)和侧视图(5b)。图6为本发明仪器传动装置组合结构示意图。

附图标示具体如下其中，标注101为第一轨道的底部，标注102为第一轨道的上部，标注103为第二轨道的左侧，标注104为第二轨道的右侧，标注u型纵向导轨，标注105为第二轨道的底侧，标注106为左侧底部支架，标注107为底部右侧支架，标注108为光栅板，标注109为光栅板滚轮，标注110为可替换光栅背景画，标注111为第一滑轮，标注112为第二滑轮，标注113为第三滑轮，标注114为断开的同步带，标注115为闭合同步带。标注201为铝合金材质支架，标注202为轴承，标注203为连杆。标注301为铝合金金属板，标注302为镂空圆孔，标注303为空心圆柱体，标注304为轴承，标注305为连杆。标注401为铝合金金属板，标注402为镂空圆孔，标注403和标注404为空心圆柱体，标注405为轴承，标注406为连杆。标注501为铝合金金属板，标注502为镂空圆孔，标注503为空心圆柱体，标注504为曲柄连杆，标注505为空心圆柱体。标注601为第一滑轮，标注602为第二滑轮，标注603为第三滑轮，标注604为断开的同步带，标注605为闭合同步带，标注605为光栅板。

一种可替换式大型莫尔条纹原理演示装置主要由四根铝合金材质u型导轨和两根铝合金“口形”支撑支架组成的支架、带滚轮的光栅板、若干可替换式光栅背景画以及由三个滑轮及传送带组成的传动装置四部分组成。

其一，支架。图1中的标注101-标注105为铝合金材质u型导轨，其中标注101、标注102两导轨上下对称分布，组成第一轨道，轨道长140cm，内宽6mm，底厚2mm，2个轨道上下对称排列，轨道间距45cm；标注103-标注105组成第二导轨，标注3和标注4轨道长50cm，内宽6mm，底厚2mm，2个轨道左右对称排列，轨道间距60cm，标注5轨道轨道长60cm，内宽6mm，底厚2mm。标注106和标注107为“口形”支撑支架，长40cm，宽2cm高2cm，中间“口”形区域宽6mm，高4mm。五部分铝合金结构通过直角角码和螺丝按图1所示位置固定到一起，固定后横向导轨和纵向导轨之间紧密贴合。组装之后，两纵向轨道间距47cm，两横向轨道间距60cm。

其二，带滚轮的光栅板。图1标注108和标注109组成带滚轮的光栅板，光栅板为透明亚克力材质，尺寸为长×宽×厚＝60cm×40cm×5mm，上印有周期的光栅图案。光栅板的滚轮设计如图2所示。标注201为一体成型的铝合金材质支架，上部内宽为5mm，标注202为滚轮，直径4mm，宽4mm。将上述两个滚轮卡到透明亚克力板(图1标注106)底部两侧，总高45cm。

其三，若干可替换式光栅背景画。若干可替换式光栅背景画为kt板材质，尺寸为长×宽＝60cm×50cm。操作者可以根据自己需求制作。

其四，由三个滑轮及传送带组成的传动装置。传动装置由三个滑轮及同步带组成，图1中的标注111为第一滑轮，第一滑轮结构如图3所示。图3标注301为铝合金金属板，尺寸为长×宽×厚＝2cm×1cm×2mm，金属板右侧开一4mm直径圆孔(标注302)，左侧开一6mm直径圆孔。标注303为铝制空心圆柱体，外径20mm，内径2mm，标注4为轴承，外径为6mm，内径2mm，厚2mm，标注303和标注304通过直径2mm连杆紧紧连在一起，并将轴承固定到金属板左侧圆孔中。

图1中的标注120为第二滑轮，第二滑轮结构如图4所示。与第一滑轮不同之处在于，第二滑轮装有2个空心圆柱体(图4标注403和标注404)，通过连杆(标注406)与轴承(标注405)连接到一起，并固定到金属板上，在金属板左右两侧分布。

图1中的标注113为第三滑轮，第三滑轮结构如图5所示。图5标注501为铝合金金属板，尺寸为长×宽×厚＝2cm×1cm×2mm，金属板下侧开一4mm直径圆孔(标注502)，上侧开一6mm直径圆孔。标注503为轴承，外径为6mm，内径2mm，厚2mm，标注505为铝制空心圆柱体，外径20mm，内径2mm，通过标注504-曲柄连杆连接到一起，并固定到金属板上侧圆孔中。

三个滑轮通过金属板上预留的圆孔，利用螺丝固定到图1所示的位置处。

将一断开的同步带，长222cm，宽5mm，按图1标注114所示的方式连接，通过图1标注105“口形”支架穿过，首尾两端固定到亚克力板两侧。将闭合的同步带，长度125cm，宽5mm，按图1标注115所示的方式连接。组装后组成光栅板的传动装置。具体结构件图6。通过转动第三滑轮的曲柄，可以联动光栅板左右移动。

演示莫尔条纹现象的具体实施方式：

1)步骤一：将光栅背景板插入到纵向导轨之间。

2)步骤二：通过手摇第三滑轮曲柄，带动第二滑轮与第一滑轮转动，使光栅板移动，观察光栅板经过光栅背景板时图像变化。

3)步骤三：反向转动第三滑轮曲柄，观察光栅板经过光栅背景板时图像变化。

4)步骤四：改变转动速度，观察光栅板经过光栅背景板时图像变化。

5)步骤五：更换光栅背景板，观察光栅板经过光栅背景板时图像变化。

通过上述过程可以得到以下结论：

第一、只有光栅板移动速度合适时，才能得到与原动画一致的图像，即光栅板中光栅明暗条纹变化周期等于gif图像的响应时间(帧数的倒数)。

第二、正反转动第三滑轮曲柄，观察到的图像呈相反的状态变化。

以上所述，仅为本发明仪器的具体实施方式，但本发明仪器的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。