Учебно-демонстрационный стенд для изучения и демонстрации световых явлений

Учебно-демонстрационный стенд для изучения и демонстрации световых явлений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для изучения оптических законов физики, в частности эффекта дифракции, с высокой степенью точности.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является лабораторная установка с лазерным осветителем для исследования дифракции (Электронный каталог РНПО «Росучприбор», раздел: Физика. Оптика; «Комплект лабораторного и демонстрационного оборудования по оптике»), которая состоит из плоской оптической скамьи модульной сборки, лазера с юстировочным модулем и блоком питания, устройства отображения в виде экрана, юстировочного модуля с держателем дифракционных объектов и линзой.

Недостатками данного прототипа являются невозможность плавного перемещения оптического объекта ввиду модульного выполнения оптической скамьи, сложность и низкая точность юстировки излучателя и объектов изучения, низкие эргономические качества.

Задача, решаемая изобретением, - расширение функциональных и дидактических возможностей, повышение точности за счет более точной и плавной регулировки положения исследуемого объекта и облегчение юстировки положения излучателей и устройств отображения, достигаемой благодаря применению развитой системы регуляторов положения всех элементов стенда, более высокие эргономические качества.

Указанная задача выполняется за счет того, что в стенде для изучения световых явлений, состоящем из оптической скамьи, лазерного излучателя, набора исследуемых объектов, например дифракционных, и линзы, закрепленных на стойках, выполненных с юстировкой по вертикали, устройства отображения и блока питания излучателя, лазерный излучатель выполнен в двух модификациях - с расширителем светового потока и без него, оптическая скамья выполнена в виде прямоугольного кожуха с продольным отверстием в верхней части, и боковых стенок, внутри которого размещены правый и левый несущие кронштейны, соединенные двумя направляющими, с расположенным на них ползуном, к которому крепится стойка исследуемых объектов, например дифракционных, размещенная в продольном отверстии кожуха оптической скамьи, в левом несущем кронштейне размещен электродвигатель, на валу которого расположена катушка ходовой нити, закрепленной на ползуне и проходящей через блок, установленный на правом несущем кронштейне оптической скамьи, а в правом несущем кронштейне - блок питания излучателя и электродвигателя и блок управления, устройство отображения выполнено в виде перископа, размещенного на стойке, которая крепится к правому несущему кронштейну оптической скамьи, а к левому - стойка излучателя, причем стойки излучателя и дифракционного объекта снабжены поворотными головками-дисками с винтами-фиксаторами юстировки по оси вращения, в нижней части поворотных головок-дисков выполнены цилиндрические направляющие, фиксирующие поворотные головки-диски на стойках, а сами стойки состоят из верхней и нижней резьбовых втулок, причем в верхней части верхней втулки выполнено резьбовое отверстие для винта-фиксатора, а в нижнюю часть запрессована резьбовая шпилька, которая вставлена в отверстие нижней резьбовой втулки, резьбовое отверстие которой выполнено в ее нижней части, а в месте соединения верхней и нижней резьбовых втулок размещена цилиндрическая поворотная ручка с запрессованной в нее гайкой, взаимосвязанной с резьбовой шпилькой верхней резьбовой втулки, причем цилиндрическая юстировочная ручка снабжена винтовыми фиксаторами. Перископ выполнен из полупрозрачного материала с размерной сеткой и оснащен светозащитным кожухом с закрепленным в нем под углом 45° к экрану зеркалом, оптическая ось которого совмещена с осью тубуса, присоединенного к кожуху и закрепленного на стойке при помощи кронштейна, снабженного фиксирующими винтами. В верхней части поворотной головки-диска стойки дифракционных объектов выполнена прорезь с размещенным в ней мини-ползуном с винтовой парой, в котором установлен дифракционный объект, а к противоположной стороне диска крепится линза. На поворотной головке-диске стойки излучателя по диагонали расположены лазерные излучатели, крепящиеся в цилиндрических держателях, по противоположным сторонам от которых размещены гнезда питания лазерных излучателей.

Предложенное техническое решение имеет следующие отличительные признаки.

Лазерный излучатель выполнен с расширенными функциями и состоит из двух лазеров, причем один из них снабжен оптическим расширителем, что позволяет использовать когерентный лазерный луч, имеющий значительные размеры в поперечнике, что расширяет область применения.

Размещение внутри оптической скамьи, выполненной в виде прямоугольной конструкции, правого и левого несущих кронштейнов позволяет крепить к ним стационарно стойки излучателя и устройства отображения, а также расположить в них электродвигатель, блок питания и блок управления, что обеспечивает защищенность отдельных элементов и прочность конструкции в целом.

Прецизионная установка ползуна со стойкой дифракционных объектов на направляющих и размещение этой стойки в продольном отверстии в верхней части кожуха обеспечивает высокоточное положение дифракционного объекта между лазерным излучателем и устройством отображения с возможностью перемещения между ними.

Выполнение устройства отображения в виде перископа позволяет работать на стенде не только в затемненном помещении, но и при полном освещении.

Стойки излучателя и дифракционного объекта снабжены поворотными головками-дисками с винтами-фиксаторами юстировки по оси вращения, в нижней части поворотных головок-дисков выполнены цилиндрические направляющие, фиксирующие поворотные головки-диски на стойках, а сами стойки состоят из верхней и нижней резьбовых втулок, причем в верхней части верхней втулки выполнено резьбовое отверстие для винта-фиксатора, а в нижнюю часть запрессована резьбовая шпилька, которая вставлена в отверстие нижней резьбовой втулки, в месте соединения верхней и нижней резьбовых втулок размещена цилиндрическая юстировочная ручка с запрессованной в нее гайкой, взаимосвязанной с резьбовой шпилькой верхней резьбовой втулки, причем цилиндрическая юстировочная ручка снабжена винтовыми фиксаторами. Такое выполнение стоек позволяет плавно и точно совмещать излучатель и исследуемый объект как по оси вращения, так и по вертикали.

В верхней части поворотной головки-диска стойки дифракционных объектов выполнена прорезь с размещенным в ней мини-ползуном с винтовой парой, в котором установлен дифракционный объект, а к противоположной стороне диска крепится линза. Такое выполнение устройства перемещения слайдов позволяет очень точно и однозначно фиксировать положение изображения на слайде по отношению к световому или лазерному лучу. Линза закреплена на диске дифракционных объектов в легкосъемном варианте и устанавливается при необходимости в том случае, когда необходимо получение сходящихся, расширенных параллельных или расходящихся пучков света.

Совокупность перечисленных выше отличительных признаков обеспечивает выполнение основной задачи, поставленной при разработке данного устройства: обеспечение точной и плавной установки исследуемого объекта в пространстве между излучателями и устройством отображения, расширение области применения стенда.

Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения. Это свидетельствует о новизне предложенного технического решения.

Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, т.к. может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением различных, выпускаемых серийно, комплектующих, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

На фиг.1 изображен внешний вид стенда, на фиг.2 - конструкция стенда со снятым кожухом, на фиг.3 - структурная схема стенда и вид сверху устройств излучения, изучения и отображения.

Стенд для изучения световых явлений состоит из кожуха 1 оптической скамьи с боковыми стенками 2 (фиг.1), внутри которого размещены левый 3 и правый 4 несущие кронштейны (фиг.2), соединенные двумя направляющими 5, на которых помещен ползун 6 с закрепленной на нем стойкой 7 дифракционных объектов, размещенной в продольной прорези верхней части кожуха 1. В левом кронштейне 3 размещен электродвигатель 8 (фиг.3), на валу которого находится катушка 9 ходовой нити 10 с натяжителем 11 нити, закрепленной на ползуне 6 и проходящей через блок 12, установленный на правом кронштейне 4, в котором помещен блок питания 13 излучателей, электродвигателя 8 и блока управления 14. К левому кронштейну 3 и кожуху 1 крепится стойка 15 лазерного излучателя, а к правому 4 кронштейну - стойка 16 устройства отображения. Стойки 7 и 15 снабжены поворотными головками-дисками 17 и 18 соответственно, с винтами-фиксаторами 19 юстировки по оси вращения, а в нижней части поворотных головок-дисков 17 и 18 выполнены цилиндрические направляющие 19, фиксирующие поворотные головки-диски на стойках 7 и 15. Сами стойки состоят из верхней 20 и нижней 21 резьбовых втулок, причем в верхней части верхней 20 втулки выполнено резьбовое отверстие для винта-фиксатора 19, а в ее нижнюю часть запрессована резьбовая шпилька 22, которая вставлена в отверстие нижней резьбовой втулки 21, в месте соединения верхней 20 и нижней 21 резьбовых втулок размещена цилиндрическая юстировочная ручка 23 по вертикали с запрессованной в нее гайкой, взаимосвязанной с резьбовой шпилькой 22 верхней резьбовой втулки, причем цилиндрическая юстировочная ручка 23 снабжена винтовыми фиксаторами 24. В верхней части поворотной головки-диска 17 стойки 7 дифракционных объектов выполнена прорезь с размещенным в ней мини-ползуном 25 с винтовой парой 26, в котором установлен дифракционный объект 27, что позволяет осуществлять юстировку дифракционного объекта по горизонтали, а к противоположной стороне поворотной головки-диску 17 крепится линза 28. На поворотной головке-диске 18 стойки 15 лазерного излучателя по диагонали расположены излучатель 29 лазерный и излучатель 30 лазерный с расширителем светового потока, крепящиеся в цилиндрических держателях 31 и 32 соответственно, по противоположным сторонам от которых размещены гнезда питания 33 излучателей 29 и 30. Замена излучателя производится поворотом головки-диска 18 вокруг вертикальной оси, при этом требуется юстировка только в горизонтальной плоскости. Устройство отображения выполнено в виде перископа, содержащего экран 34 из полупрозрачного материала с размерной сеткой, за которым расположено зеркало 35 для изменения направления светового луча, причем все составляющие перископа помещены в светозащитный кожух 36, снабженный тубусом, который вставляется в кронштейн 37, установленный на стойке 16 и снабженный фиксирующими винтами.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с планом эксперимента поворотом головки-диска 18 излучателей при ослаблении винта-фиксатора 19 устанавливается выбранный излучатель 29 или 30, который включается с помощью блока управления 14. Перископ устанавливается примерно вдоль оптической оси стенда и фиксируется винтами кронштейна 37 в данном положении. Включается источник питания излучателей и электродвигателя. Для юстировки лазерного луча по вертикали ослабляются фиксаторы 24 на стойке 15 излучателей. При вращении цилиндрической юстировочной ручки 23 резьбовая шпилька 22 верхней втулки 20 стойки 15, двигаясь в запрессованной гайке ручки 23, плавно поднимает лазерный излучатель на поворотной головке-диске 18 до попадания луча лазера в центр экрана 34 перископа. Положение фиксируется винтами 24 юстировочной ручки 23. При ослаблении винта-фиксатора 19 поворотом головки-диска 17 совмещают центр линзы 28 с оптической осью стенда. Выбранный дифракционный объект 27 устанавливается в держатель мини-ползуна 25 и вращением винтовой пары 26 совмещают выбранный участок дифракционного объекта 27 с лучом лазера по горизонтали. Юстировка дифракционного объекта по вертикали производится аналогично юстировке по вертикали лазерного луча. При включении электродвигателя 8 с помощью блока управления 14 катушка 9 начинает вращаться и ходовая нить 10, закрепленная на ползуне 6, осуществляет перемещение вдоль направляющих 5 стойки 7 дифракционных объектов с тем, чтобы либо добиться четкой дифракционной картины на экране 34 перископа, либо установить стойку в заданную для эксперимента позицию.

С помощью данного стенда можно также изучать такие световые явления, как поляризация, интерференция, геометрическая оптика и т.п. путем замены исследуемого объекта.

1. Учебно-демонстрационный стенд для изучения и демонстрации световых явлений, состоящий из оптической скамьи, лазерного излучателя, набора исследуемых объектов и линзы, закрепленных на стойках, выполненных с юстировкой по вертикали, устройства отображения и блока питания излучателя, отличающийся тем, что лазерный излучатель выполнен в двух модификациях - с расширителем светового потока и без него, оптическая скамья выполнена в виде прямоугольного кожуха с продольным отверстием в верхней части, и боковых стенок, внутри которого размещены правый и левый несущие кронштейны, соединенные двумя направляющими, с расположенным на них ползуном, к которому крепится стойка исследуемых объектов, размещенная в продольном отверстии кожуха оптической скамьи, в левом несущем кронштейне размещен электродвигатель, на валу которого расположена катушка ходовой нити, закрепленной на ползуне и проходящей через блок, установленный на правом несущем кронштейне оптической скамьи, в котором размещены блок питания излучателя и электродвигателя и блок управления, устройство отображения выполнено в виде перископа, размещенного на стойке, которая крепится к правому несущему кронштейну оптической скамьи, а к левому - стойка излучателя, причем стойки излучателя и исследуемого объекта снабжены поворотными головками-дисками с винтами-фиксаторами юстировки по оси вращения, в нижней части поворотных головок-дисков выполнены цилиндрические направляющие, фиксирующие поворотные головки-диски на стойках, а сами стойки состоят из верхней и нижней резьбовых втулок, причем в верхней части верхней втулки выполнено резьбовое отверстие для винта-фиксатора поворотной головки-диска, а в нижнюю часть запрессована резьбовая шпилька, которая вставлена в отверстие нижней резьбовой втулки, в месте соединения верхней и нижней резьбовых втулок размещена цилиндрическая юстировочная ручка с запрессованной в нее гайкой, взаимосвязанной с резьбовой шпилькой верхней резьбовой втулки, причем цилиндрическая юстировочная ручка снабжена винтовыми фиксаторами.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что перископ выполнен из полупрозрачного материала с размерной сеткой и оснащен светозащитным кожухом с закрепленным в нем под углом 45° к экрану зеркалом, оптическая ось которого совмещена с осью тубуса, присоединенного к кожуху и закрепленного на стойке при помощи кронштейна, снабженного фиксирующими винтами.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в верхней части поворотной головки-диска стойки исследуемых объектов выполнена прорезь с размещенным в ней мини-ползуном с винтовой парой, в котором установлен исследуемый объект, а к противоположной стороне диска крепится линза.

4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что на поворотной головке-диске стойки излучателя по диагонали расположены лазерные излучатели, крепящиеся в цилиндрических держателях, по противоположным сторонам от которых размещены гнезда питания лазерных излучателей.