一种显示光迹的微小形变演示仪的制作方法

本实用新型公开了一种显示光迹的微小形变演示仪，涉及一种将弹性金属板的微小形变“放大”并用激光光迹显示的实验仪器，属于物理教具。

背景技术：

在物理教学中，把微小放大以利于观察是一种重要的方法。力的作用效果之一会使物体发生形变，但硬度越大的物体，其微小形变越不容易被觉察。为了证实硬度再大的物体在力的作用下也是有发生形变，把微小形变“放大”到直接看出来，教师一般采用如下常规方法：在一张桌子上放两面平面镜，让一束激光依次被这两面平面镜反射，最后射到一个离平面镜较远的刻度尺上并形成一个光点。当用力向下压桌面时，桌面会发生微小的形变，这时光点会在刻度尺上出现明显的移动。该常规实验方案存在许多不足：(1)为了让微小形变有明显的“放大”，需让刻度尺到平面镜的距离较远，教师往往把刻度尺放到离讲台较远的教室后墙上；(2)实验现象只看到一个光点的移动，不能看到激光在传播过程中整条激光光线的偏移；(3)激光需射到远处的刻度尺上，容易误伤到学生的眼睛，不够安全。

技术实现要素：

为了解决上述不足，可利用多级光放大原理、烟雾显示光迹原理及视觉暂留原理，设计一种将弹性金属板的微小形变“放大”并用激光光迹显示的实验仪器。本实用新型采用如下技术方案：一种显示光迹的微小形变演示仪，包括透明箱、可旋转底座、弹性金属板、带钩的拉线、钩码、小镜片、激光笔、烟雾器、顶部反光镜、底部反光镜及半透明塑料屏幕等，其具体特征是：透明箱具体包括透明箱本体、伸手操作用椭圆孔、黑纸、金属板卡口及激光笔卡口等；所述伸手操作用椭圆孔设在左侧下半位置，方便对透明箱内的器件进行操作，如将透明箱内的钩码挂到带钩的拉线上等；所述黑纸粘贴在透明箱后侧面内壁作为黑色背景，让激光光线光迹显示更加清晰。可旋转底座装在透明箱底部，可以用来旋转透明箱，方便调整观察角度。弹性金属板包括金属板本体及金属板底座，金属板本体通过金属板底座卡在透明箱左侧壁的金属板卡口中，弹性金属板成水平状态且右端悬空。带钩的拉线系在弹性金属板的右端。钩码的质量为100克，可钩在带钩的拉线上。小镜片粘贴在弹性金属板的右上端，可随弹性金属板微小的弯曲形变而有微小的偏移。激光笔包括激光笔本体和激光笔底座，激光笔本体通过激光笔底座卡在透明箱顶部的激光笔卡口中，可自由调整激光笔本体的角度，让其发出的激光光线可射到小镜片上并被反射到顶部反光镜上。烟雾器具体包括烟盒、烟饼及烟，烟盒内装有烟饼，点燃后可以产生少量的烟，可以显现激光光线的光迹。顶部反光镜和底部反光镜分别粘贴在透明箱的顶部和底部，激光光线可在顶部反光镜和底部反光镜之间来回多次反射。半透明塑料屏幕贴在透明箱的顶部右侧位置，具体包括屏幕本体和坐标刻度。

本实用新型的原理具体说明如下：实验时，让激光笔发出的一束激光射到粘贴在弹性金属板上的小镜片上并被反射到顶部反光镜上，接着在顶部反光镜和底部反光镜之间来回多次反射后最终射到半透明塑料屏幕上，其激光光线的光迹可在烟雾器产生的烟中显现出来，在透明箱中可看到一条入射光线和多条反射光线。当弹性金属板挂上钩码后会发生微小的弯曲形变并让小镜片发生微小的偏移，此时激光经小镜片反射后的反射光线会向右偏移，接着在顶部反光镜和底部反光镜之间来回反射次数越多，反射光线向右偏移越明显，同时半透明塑料屏幕上的激光亮点也向右偏移明显。当用手快速反复拉弹性金属板时，弹性金属板在微小形变及恢复形变之间不停变换，此时反射光线会不停来回偏移，由于视觉暂留原理从而可看到多个“激光亮区”。

附图说明

图1是本实用新型整体的立体结构图；

图2是图1中透明箱等部分器件的结构示意图；

图3是图1中弹性金属板等部分的结构示意图；

图4是本实用新型挂钩码法的原理及动态效果示意图；

图5是本实用新型反复手拉法的原理及动态效果示意图；

图6是本实用新型的原理说明流程图；

图7是本实用新型用挂钩码法时反射光线偏移的原理示意图；

图8是本实用新型用反复手拉法时反射光线偏移的原理示意图；

图9是本实用新型弹性金属板未形变时的静态效果示意图；

图10是本实用新型弹性金属板发生形变后的静态效果示意图。

图中：1.透明箱，具体涉及1a.透明箱本体、1b.伸手操作用椭圆孔、1c.黑纸、1d.金属板卡口及1e.激光笔卡口；2.可旋转底座；3.弹性金属板，具体涉及3a.金属板本体和3b.金属板底座；4.带钩的拉线；5.钩码；6.小镜片；7.激光笔，具体涉及7a.激光笔本体和7b.激光笔底座；8.烟雾器，具体涉及8a.烟盒、8b.烟饼及8c.烟；9.顶部反光镜；10.底部反光镜；11.半透明塑料屏幕，具体涉及11a.屏幕本体和11b.坐标刻度；12.激光光线光迹，具体涉及12a.入射光线、12b.形变前反射光线、12c.形变后反射光线、12d.形变前亮点、12e.形变后亮点及12f.“激光亮区”；13.手；14.拉力方向；15.光线偏移方向。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

结合图1、图2和图3，一种显示光迹的微小形变演示仪，包括透明箱(1)、可旋转底座(2)、弹性金属板(3)、带钩的拉线(4)、钩码(5)、小镜片(6)、激光笔(7)、烟雾器(8)、顶部反光镜(9)、底部反光镜(10)及半透明塑料屏幕(11)等，其具体特征是：透明箱(1)具体包括透明箱本体(1a)、伸手(操作用椭圆孔(1b)、黑纸(1c)、金属板卡口(1d)及激光笔卡口(1e)等；所述伸手(操作用椭圆孔(1b)设在左侧下半位置，方便对透明箱(1)内的器件进行操作，如将透明箱(1)内的钩码(5)挂到带钩的拉线(4)上等；所述黑纸(1c)粘贴在透明箱(1)后侧面内壁作为黑色背景，让激光光线光迹(12)显示更加清晰。可旋转底座(2)装在透明箱(1)底部，可以用来旋转透明箱(1)，方便调整观察角度。弹性金属板(3)包括金属板本体(3a)及金属板底座(3b)，金属板本体(3a)通过金属板底座(3b)卡在透明箱(1)左侧壁的金属板卡口(1d)中，弹性金属板(3)成水平状态且右端悬空。带钩的拉线(4)系在弹性金属板(3)的右端。钩码(5)的质量为100克，可钩在带钩的拉线(4)上。小镜片(6)粘贴在弹性金属板(3)的右上端，可随弹性金属板(3)微小的弯曲形变而有微小的偏移。激光笔(7)包括激光笔本体(7a)和激光笔底座(7b)，激光笔本体(7a)通过激光笔底座(7b)卡在透明箱(1)顶部的激光笔卡口(1e)中，可自由调整激光笔本体(7a)的角度，让其发出的激光光线可射到小镜片(6)上并被反射到顶部反光镜(9)上。烟雾器(8)具体包括烟盒(8a)、烟饼(8b)及烟(8c)，烟盒(8a)内装有烟饼(8b)，点燃后可以产生少量的烟(8c)，可以显现激光光线(12)的光迹。顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)分别粘贴在透明箱(1)的顶部和底部，激光光线(12)可在顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)之间来回多次反射。半透明塑料屏幕(11)贴在透明箱(1)的顶部右侧位置，具体包括屏幕本体(11a)和坐标刻度(11b)。

结合图4、图5和图6，本实用新型的原理具体说明如下：实验时，让激光笔(7)发出的一束激光射到粘贴在弹性金属板(3)上的小镜片(6)上并被反射到顶部反光镜(9)上，接着在顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)之间来回多次反射后最终射到半透明塑料屏幕(11)上，其激光光线(12)的光迹可在烟雾器(8)产生的烟(8c)中显现出来，在透明箱(1)中可看到一条入射光线(12a)和多条反射光线(12b)。当弹性金属板(3)挂上钩码(5)后会发生微小的弯曲形变并让小镜片(6)发生微小的偏移，此时激光经小镜片(6)反射后的反射光线(12b、12c)会向右偏移(15)，接着在顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)之间来回反射次数越多，反射光线(12b、12c)向右偏移(15)越明显，同时半透明塑料屏幕(11)上的激光亮点(12d、12e)也向右偏移(15)明显，具体效果见图4。当用手(13)快速反复拉弹性金属板(3)时，弹性金属板(3)在微小形变及恢复形变之间不停变换，此时反射光线(12b、12c)会不停来回偏移(15)，由于视觉暂留原理从而可看到多个“激光亮区”(12f)，具体效果见图5。

本实用新型的在使用过程中有挂钩码法和反复快速手拉法等两种演示方法，具体介绍如下：

(1)挂钩码法演示实验

结合图4和图7，实验时，根据要求固定好各器件，点燃烟雾器(8)中的烟饼(8b)发出少量烟(8c)并扩散到整个透明箱(1)，打开激光笔(7)让其发出的激光光线可射到小镜片(6)上并被反射到顶部反光镜(9)上，接着在顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)之间来回多次反射后最终射到半透明塑料屏幕(11)上。此时，在透明箱(1)中可看到一条入射光线和多条反射光线。接着，通过透明箱(1)的伸手操作用椭圆孔(1b)在弹性金属板(3)右下端处带钩的挂线上挂上钩码(5)，弹性金属板(3)会发生微小的弯曲形变并让小镜片(6)发生微小的偏移。此时，可以看到激光经小镜片(6)反射后的反射光线(12b、12c)会向右偏移(15)，接着在顶部反光镜(9)和底部反光镜(10)之间来回反射次数越多，反射光线(12b、12c)向右偏移(15)越明显，最终射到半透明塑料屏幕(11)上的激光亮点(12d、12e)也有很明显的偏移，具体效果见图4、图9和图10。

(2)反复快速手拉法演示实验

结合图5和图8，实验时，根据要求固定好各器件，点燃烟雾器(8)并打开激光笔(7)。此时，在透明箱(1)中可看到一条入射光线(12a)和多条反射光线(12b)。接着，通过透明箱(1)的伸手(操作用椭圆孔(1b)用手(13)用力向下拉弹性金属板(3)右下端处带钩的拉线(4)，此时可以看到每条反射光线(12b、12c)都会向右偏移，最终射到半透明塑料屏幕(11)上的激光光点(12d、12e)也有很明显的向右偏移。再接着松手(13)，此时可以看到每条反射光线又会向左偏移(15)回到原位置。当用手(13)快速反复拉弹性金属板(3)时，弹性金属板(3)在微小形变及恢复形变之间不停变换，可看到反射光线(12b、12c)不停地来回偏移(15)的动态变化，由于视觉暂留原理从而可看到多个“激光亮区”(12f)，实验现象直观明显，具体效果见图5。

与常规实验方法相比，该教具存在优点：(1)带坐标刻度的半透明塑料屏幕不用放到远处，只需放在透明箱顶部即可；(2)实验现象不只看到一个光点的移动，可看到多条激光光线的偏移及多个“激光亮区”，实验现象直观明显；(3)激光没有射到仪器外面，只在透明箱内来回反射，不会误伤到学生的眼睛，安全可靠。

可见，本实用新型所述的一种显示光迹的微小形变演示仪，利用多级光放大原理、烟雾显示光迹原理及视觉暂留原理，将弹性金属板的微小形变进行“放大”并用激光光迹显示出来，实验原理和方法巧妙，实验现象直观明显，仪器性能安全可靠，体现了教具的科学性、教学性及趣味性。