手持式动态光波衍射演示仪

摘要

本发明提供一种手持式动态光波衍射演示仪，该演示仪包括相互可旋转套接的有机玻璃管A、有机玻璃管B，还包括电源盒、绿光激光器、红光激光器、可调狭缝装置、光栅位槽、测量标尺和总开关、红光开关、绿光开关；在有机玻璃管A和有机玻璃管B套接处分别开有两对孔，所述两对孔为对称设置，两对孔的轴线与可调狭缝装置的狭缝方向平行，所述孔内插入仪器支架的两端；在有机琉璃管B的一侧设置有测量标尺，绿光激光器、红光激光器的光束投射到所述测量标尺上。有益效果是该演示仪体积小巧，便于携带，直接用于课堂教学，在教室中可以选择比较暗的区域作为背景进行演示，方便灵活。还可以定量测量，而且测量标尺可以很方便地用自带的磁性直接贴在黑板上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种教学仪器，特别是一种手持式动态光波衍射演示仪。 

背景技术

光学是大学物理课程一个重要组成部分，光的衍射特性是光学部分的一个重要知识点，鉴于该特性不易被初步接触的学生所理解，因此考虑通过现场直观的课堂实验演示，以促进学生理解掌握光的衍射特性，从而提升大学物理课程的教学效果。 

目前，光学类的仪器很多，但是仪器的体积规模都很笨重和庞大，不方便携带，而且要求的实验环境条件也比较高，如弱光条件等；同时，实验室演示教学不能保证学生的实验与理论课进度相同，从而达到理论与实践的有机结合。就光波衍射而言，现有的小型手持实验仪器（手持波动光学演示仪，专利号：ZL200820122697.X）不能同时显示两束不波长光波的衍射现象，不能动态测试单缝宽度连续变化时衍射条纹的变化规律，只能定性演示，不能定量测量和计算来验证理论结果。 

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种手持式动态光波衍射演示仪，该教学仪器体积小，重量轻，不用外接电源，演示效果直观、易操作，既可定性演示，又可定量测量，能够满足大学物理中波动光学的教学要求，有助于提高学生的理解力。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种手持式动态光波衍射演示仪，其中：该演示仪包括相互可旋转套接的有机玻璃管A、有机玻璃管B，还包括电源盒、绿光激光器、红光激光器、可调狭缝装置、光栅位槽、测量标尺和总开关、红光开关、绿光开关； 

将所述电源盒通过输出导线与总开关连接，总开关分别通过绿光开关连接绿光激光器、通过红光开关连接红光激光器，电源盒、绿光激光器、红光激光器通过螺丝固定在有机玻璃管A内，总开关、红光开关、绿光开关固定在有机玻璃管A的管壁上；在有机玻璃管B管壁上开两个矩形孔，第一个矩形孔内安装可调狭缝装置，第二个矩形孔为光栅位槽，在有机玻璃管A和有机玻璃管B套接处分别开有两对孔，所述两对孔为对称设置，两对孔的轴线与可调狭缝装置的狭缝方向平行，所述孔内插入仪器支架的两端；在有机琉璃管B的一侧设置有测量标尺，绿光激光器、红光激光器的光束投射到所述测量标尺上。 

本发明的效果是： 

（1）体积小巧，整体体积可控制在300（长）×60（宽）×100（高）mm以内，便于携带，可以直接用于课堂演示教学，替代了传统的只能在实验室演示，解决了演示实验与理论教学不能同步的问题。 

（2）采用手持式，在教室中可以选择比较暗的区域作为背景进行演示，方便灵活。 

（3）采用缝宽可调的狭缝装置作为主要衍射元件，能够通过调节缝宽动态地演示和测量缝宽改变时衍射条纹的变化。 

（4）用螺丝可以对狭缝装置与激光器相对位置进行微调，来演示二者相对移动时衍射条纹的变化情况。 

（5）配备了测量标尺，除定性演示之外，还可以定量测量，而且测量标尺可以很方便地用自带的磁性直接贴在黑板上。 

（6）可以使不同波长的红、绿两束光同时通过衍射屏，进行定量对比和测量。 

（7）结构简单，成本低，投资少，便于推广。 

附图说明

图1是本发明演示仪的整体结构图； 

图2是本发明演示仪的框架图； 

图3是本发明演示仪的激光器电源控制电路示意图； 

图4是本发明演示仪的激光器固定调节结构俯视图； 

图5是本发明演示仪的激光器固定调节结构前视图； 

图6是本发明演示仪的可调狭缝装置和光栅位槽结构示意图； 

图7是本发明演示仪的支架安装图。 

图中： 

1、有机玻璃管A  2、有机玻璃管B  3、电源盒  4、绿光激光器 

5、红光激光器  6、可调狭缝装置  7、光栅位槽 

8、狭缝定位螺钉和弹簧  9、缝宽调节螺杆  10、总开关 

11、绿光开关  12、红光开关  13、螺丝 

14、仪器支架  15、光栅片  16、测量标尺 

17、有机玻璃管A和有机玻璃管B的轴线 

具体实施方式

结合附图对本发明的手持式动态光波衍射演示仪结构加以说明。 

本发明的手持式动态光波衍射演示仪结构是，该演示仪包括相互可旋转套接的有机玻璃管A1、有机玻璃管B2，还包括电源盒3、绿光激光器4、红光激光器5、可调狭缝装置6、光栅位槽7、测量标尺16和总开关10、红光开关11、绿光开关12。 

将所述电源盒3通过输出导线与总开关10连接，总开关10分别通过绿光开关11连接绿光激光器4、通过红光开关12连接红光激光器5，电源盒3、绿光激光器4、红光激光器5通过螺丝13固定在有机玻璃管A1内，通过调节螺丝13使两激光器光束平行并且相互距离尽量小，两激光束中轴线与有机玻璃管A共轴。总开关10、红光开关11、绿光开关12固定在有机玻 璃管A1的管壁上，使操作者能方便控制总电源、每个激光器的开或关。 

在有机玻璃管B2管壁上前后依次开两个矩形孔，第一个矩形孔内安装可调狭缝装置6，第二个矩形孔为光栅位槽7，可调狭缝装置6平面与有机玻璃管B2轴线垂直，使缝宽调节螺杆9露在管外，在可调狭缝装置6上与调节螺杆9对应的另一侧开有一个螺丝孔，用狭缝定位螺丝和弹簧8控制可调狭缝装置6整体与管壁的距离，使狭缝中心与有机玻璃管B2中心基本重合。所述可调狭缝装置6通过旋转缝宽调节螺杆9调节狭缝宽度，通过缝宽调节螺杆9上的刻度读出狭缝宽度值。在保证有机玻璃管B2机械强度的情况下离第一个矩形孔尽量近地开第二个矩形孔，第二个矩形孔即光栅位槽7，矩形孔长和宽正好能放入一个光栅片15，放入光栅矩形后要保证光栅刻痕方向与狭缝的方向相同。 

在有机玻璃管A1和有机玻璃管B2套接处分别开有两对孔，所述两对孔为对称设置，两对孔的轴线与可调狭缝装置6的狭缝方向平行，有机玻璃管B2可绕套接处旋转，用于调节狭缝和光栅的角度，使两束激光能够同时平行通过狭缝和光栅。所述孔内插入仪器支架14的两端用以支撑，又可固定两个有机玻璃管不致脱离。在有机玻璃管B2的一侧设置有测量标尺16，绿光激光器4、红光激光器5的光束投射到所述测量标尺16上。所述支架14可绕管壁的孔旋转，手持定性演示时支架收起，精确定量测量时放下支架可把仪器稳定于桌子上。 

所述绿光激光器4、红光激光器5所投射光为两条距离较近的平行光并与有机玻璃管A1和有机玻璃管B2的轴线平行。两激光强度接近，可以通过绿光开关11、红光开关12分别选择发红光，绿光，或同时发红、绿光，可以同时对比和测量不同波长的光的衍射条纹之间关系。 

所述可调狭缝装置6的上端为带有刻度的缝宽调节螺杆9，下端连接狭缝定位螺丝和弹簧8。既可调节和测量狭缝宽度，又可调节狭缝激光器的相 对位置，可以动态演示缝宽或缝的位置改变时衍射条纹的变化。 

所述光栅位槽7内放置有观察和测量光波衍射现象的光栅片和多缝板。 

所述电源盒3内装有与绿光激光器4、红光激光器5电压相匹配的干电池组。 

所述有机玻璃管A和有机玻璃管B均为透明材料，可直观地观察内部结构并进行调节，更适于演示教学。所述测量标尺16为磁性材料制作的。 

所述总开关10、绿光开关11和红光开关12构成了总、分二级开关，避免误操作一个开关就打开激光器现象的发生，提高了安全性。 

本发明的手持式动态光波衍射演示仪功能是这样实现的： 

如图1、2所示，本手持式动态光波衍射演示仪结构包括有相互套接的机玻璃管A1、有机玻璃管B2，还包括电源盒3、绿光激光器4、红光激光器5、可调狭缝装置6、光栅位槽7、测量标尺16和总开关10、绿光开关11、红光开关12等。 

将用干电池串联组成的与激光器电压相匹配的电源盒3通过输出导线接入总开关10，再分别通过绿光开关11接到绿光激光器4、通过红光开关12接到红光激光器5，电源盒3、总开关10、绿光开关11、红光开关12和绿光激光器4、红光激光器5由后向前，以激光发射方向为前，用螺丝13固定在有机玻璃管A1内，如图1、3所示。通过调节绿光激光器4和红光激光器5的螺丝13使两激光器光束平行并且相互距离尽量小，两激光束中轴线与有机玻璃管A1共轴，如图4、5所示，图4中点划线为有机玻璃管A1和有机玻璃管B2的轴线，虚线为激光光束。开关控制按钮露在有机玻璃管A1的侧壁之外，使操作者能方便控制总电源、每个激光器的开或关。 

有机玻璃管B2侧壁由后向前依次开两个矩形孔，后端预留与有机玻璃管A1套接的长度后开第一个孔，该孔恰好能插入可调狭缝装置6，可调狭缝装置平面与有机玻璃管轴线垂直，使缝宽调节螺杆9露在管外，在狭缝装 置上与螺杆对应的另一侧开有一个螺丝孔，用狭缝定位螺钉和弹簧8控制狭缝装置整体与管壁的距离，使狭缝中心与有机玻璃管中心基本重合；在保证有机玻璃管B2机械强度的情况下离第一个孔尽量近的位置开第二个孔即光栅位槽7，孔长和宽正好能放入一个光栅片，如图6所示。放入光栅后要保证光栅刻痕方向与狭缝的方向相同，有机玻璃管B2可绕套接处旋转，用于调节狭缝和光栅的的角度，使两束激光能够同时平行通过狭缝和光栅，如图5所示，图5中虚线为狭缝和光栅刻痕方向。在有机玻璃管A1和有机玻璃管B2双管套接处，沿狭缝方向穿过两层管壁对应开孔，孔内既可安装仪器支架14，又可固定两个有机玻璃管不致脱离，有机玻璃管B2上的孔沿圆周方向稍长，使两管可绕轴小角度旋转以调节狭缝和光栅片方向，如图7所示。该演示仪还包括用磁性橡胶薄片制作的测量标尺16，绿光激光器4、红光激光器5的光束投射到所述测量标尺16上，测量标尺16标有明显刻度可贴在黑板或其他适宜处上。 

所述绿光激光器4、红光激光器5所形成的光路为两束相距较近的平行光，电源盒3为给二个激光器提供能量的相匹配的电池组。 

所述可调狭缝装置6的上端为带有刻度的缝宽调节螺杆9，缝宽在0～2mm间可精连续调节的，并在调节螺杆9上读出宽度值。可调狭缝装置6下方连接狭缝定位螺钉和弹簧8，狭缝位置可在0～3mm范围内移动。 

所述光栅位槽7内放入光栅片15后即可演示和测量光栅衍射，还可以放入多缝板等不同类型的光学元件，用于演示其他光学规律。 

本发明的手持式动态光波衍射演示仪基本原理是：根据大学物理教材中关于光波衍射原理加以实现。由于本仪器的绿色光激光器4、红光激光器5发出的激光可视为平行光，可以认为光源和衍射器件的距离为无穷远，且屏幕相对于衍射器件距离在相对尺度上可认为是无穷远，因此本仪器的衍射属于夫琅禾费衍射。 

当光照射在单缝上时，屏幕上衍射图案的中央明纹线宽度为： 

$\mathrm{\Delta x}=2\frac{D}{a}\lambda ---\left(1\right)$

其他各条纹线宽度为：

式中，D为屏幕到光栅的距离，a为单缝的宽度，λ为光波波长。 

在本发明的手持式动态光波衍射演示仪中，激光分别是红光和绿光，两者波长不同，根据选择具体激光器而定，一般绿光波长为532nm，红光波长为650nm，同时照射在同一单缝上，屏幕上两束光的衍射图案中央明纹线宽度△x的关系：绿光的中央明纹线宽度比红光的小。与中央明纹线宽度的理论是一致的，仪器中D和a是不变的，波长越小，明纹线宽度越小，而且绿光波长小于红光。针对该衍射规律，可以通过本发明直接观察现象，从而加深学生对该规律的理解和记忆。 

当单色光垂直照射在光栅上时，根据光栅公式 

dsinθ=kλ 

在近轴情况下，可近似为： 

$d\frac{x^{\prime }}{D}=\mathrm{k\lambda }$

屏幕上相邻衍射主极大间距△x′近似相等，表示为 

$\Delta x^{\prime }=\frac{D}{d}\lambda ---\left(2\right)$

式中，D为屏幕到光栅的距离，d为光栅常数，λ为光波波长。和单缝衍射类似，绿光的主极大间距比红光的小，与理论的结论一致。 

因此，本发明的手持式动态光波衍射演示仪在教学中可以将直观的实验现象展示给学生，引发学生的学习兴趣，调动其积极性。 

本发明的手持式动态光波衍射演示仪基本操作步骤： 

1、光路调节：接通总开关10、绿光开关11、红光开关12，调节定位螺丝13，使红、绿二束激光光束均与有机玻璃管A1轴线平行，调节缝宽调节螺杆9打开狭缝，通过旋转有机玻璃管B2调节狭缝方向和调节位置调节螺丝8使两束光完全通过狭缝。此时光栅位槽中不放任何元件。 

2、单缝衍射的单光束定性演示：关掉一束激光，保留另一束，将光束投向室内光线较暗的墙壁，切勿将光束对人直射。用缝宽调节螺杆9调节狭缝宽度，观察并验证条纹变化规律，即当波长一定时，条纹宽度与缝宽成反比。 

3、单缝衍射的双光束定性对比：同时接通三个开关，两个激光器同时发光，用缝宽调节螺杆9调节狭缝宽度，观察并验证两种颜色条纹的变化规律，即当缝宽一定时，条纹宽度与波长成正比。 

4、单缝衍射的定量测量：将测量标尺16贴于黑板上，为保证可视效果可以关掉室内照明灯并拉上窗帘，在五米以外的距离用演示仪把衍射条纹投射到测量标尺上，可以选择单光、双光，从标尺上测出条纹中央明纹宽度，测出演示仪到标尺的直线距离，从缝宽调节螺杆9上读出缝宽数值，从激光器说明书上获取激光波长，代入公式（1）中进行对比验证。 

5、光栅衍射的定性演示与定量测量：在光栅位槽7中放入光栅片，把狭缝开到最大，让两束激光都能无阻地通过单缝照到光栅上，按上述步骤2、3、4的方式可以进行光栅衍射实验，代入公式（2）进行定量验证。改变不同光栅常数的光栅，可以进行对比实验。 

6、其他光学规律的演示：在上述步骤5的基础上，把光栅换成其它光学元件，如多缝板（包括不同宽度的单缝、单丝，不同间距的双缝、多缝等）、不同形状的小孔、双层偏振片等，可以演示其他衍射或非衍射现象。