專利名稱：一種透鏡成像模擬演示器具的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種透鏡成像模擬演示器具，屬于物理光學教具技術領域。
目前，中學物理透鏡成像內(nèi)容的教學教具只有公知的光具座，透鏡成像規(guī)律的教學普遍采用在光具座上做透鏡成像演示實驗的方法，這種演示實驗方法存有下述問題1．由于透鏡成像情況多，透鏡成像光具附件多，實驗過程中需多次調(diào)整、觀察、測量、比較，操作過程繁瑣；2．透鏡成虛像的現(xiàn)象教室內(nèi)學生觀察不到；3．實驗只能表現(xiàn)出物體在垂軸方向呈正立或倒立、放大或縮小的實像情況，不能表現(xiàn)出物體在主軸水平方向的成像變化情況；4．只能呈現(xiàn)物體相對透鏡靜止時成的實象，不能呈現(xiàn)物體運動時像的變化情況，教學中投入課室多，教學效果不理想。
本實用新型的目的在于提供一種演示內(nèi)容全面直觀、使用操作方便的透鏡成像模擬演示器具。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的；一種透鏡成像模擬演示器具，它包括透鏡標志板1、物板2、像板3、物板滑座4、像板滑座5、V型搖臂6、滑軌7、放大面板8、教具座9等，其中滑軌水平架于教具座上，物板通過物板滑座、像板通過像板滑座分別滑動位于滑軌上，V型播臂通過銷軸19支承于教具座上的支撐桿20上，其一個側(cè)臂與物板滑座伸縮滑動連接，其另一個側(cè)臂與像板滑座伸縮滑動連接，放大面板位于像板和物板的鉛垂面之間，其對應于像板的滑動區(qū)域板面上開有三角形放大窗口21，其三角形頂角朝面板中心方向，透鏡標志板位于放大面板上，所述透鏡標志板、物板、像板及三角形放大窗口的對稱軸位于同一水平面上，所述V型搖臂的銷軸中心至兩側(cè)臂的距離R，及銷軸中心至滑軌水平面的距離L滿足下式R=2Fsinα(cosα+1)/(2cosα+1)L=2Fsinα/(2cosα+1)α=90°-β/2。
上述演示器具，所述物板2的高度H與三角形放大窗口21兩斜邊夾角γ的關系滿足H=2Ftg(γ/2)。
上述演示器具，所述透鏡標志板1在放大面板8上有兩個安置位置，一個位于銷軸19中心的鉛垂面上，另一個位于距前述位置右側(cè)2F的位置上。
上述演示器具，所述像板3上設有一對開合幕板10、11，所述開合幕板分別通過其上、下端的耳孔滑動位于像板上、下端的導桿22、23上，幕板10的耳孔兩端面上分別作用有壓簧和曳引鋼絲13，幕板11的耳孔兩端面上分別作用有壓簧和曳引鋼絲14，曳引鋼絲13,14分別與V型搖臂的兩側(cè)臂根部連接。
上述演示器具，所述V型搖臂6兩側(cè)臂的臂端為圓弧狀，其圓弧的弧半徑中心為銷軸19的中心。
上述演示器具，所述V形搖臂6與物板滑座4、像板滑座5的伸縮滑動連接方式為，搖臂兩側(cè)臂的橫截面為工字鋼形，物板滑座、像板滑座中空的連接腔兩側(cè)壁上各有一個相對的凸起軸17，該凸起軸分別伸入工字鋼兩側(cè)的工字槽中。
上述演示器具，所述V形搖臂6與物板滑座4、像板滑座5的伸縮滑動連接方式還可為，搖臂兩側(cè)臂的橫截面為扁矩形，物板滑座、像板滑座中空的連接腔兩側(cè)壁上各有兩個相對的凸起軸18，扁矩形側(cè)臂的兩側(cè)分別滑動位于兩對凸起軸之間。
上述演示器具，所述滑軌7為兩條等高的水平鋼管，所述物板滑座4、像板滑座5分別通過各自座體兩外側(cè)的4對小滾輪滑動架持在兩鋼管滑軌上。
上述演示器具，所述物板2通過一物板架桿14與物板滑座4連接，物板架桿的長度為4F，其一端與物板滑座的滑動中心對應，另一端向像板滑座方向水平延伸，物板可置于該桿的左端或右端。
上述演示器具，所述像板3通過一像板架15與像板滑座5連接，像板的中心與像板滑座的滑動中心對應。
本實用新型根據(jù)透鏡成像規(guī)律，采用V型播臂帶動滑座沿滑軌水平運動的機械方式，將透鏡成像時物、透鏡、像三者的位置關系，及各種成像過程形象地模擬演示出來，相對于原教具，不僅能演示物體通過透鏡在垂軸方向及靜止狀態(tài)時的成像情況，而且還能演示物體通過透鏡在主軸方向及運動狀態(tài)時的成像情況，具有模擬演示范圍大、內(nèi)容全，演示操作簡便迅速，演示形象、直觀，觀察視角大等優(yōu)點；此外，還具有設計科學、結(jié)構(gòu)合理、易于生產(chǎn)制造的特點。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳述


圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是
圖1A-A剖視圖；圖3是
圖1B-B剖視圖4是V型搖臂與滑座的又一種伸縮連接方式圖；圖5是圖4C-C剖視圖；圖6、圖7是V型播臂結(jié)構(gòu)尺寸幾何原理圖；圖8、圖9是透鏡成像模擬演示圖。
圖1所示的結(jié)構(gòu)示意圖是從本實用新型實施例后視方向的視圖，
圖1、圖2、圖3中，本實用新型的V型搖臂支承于銷軸19上，銷軸19固定于教具座的支撐桿20上，物板滑座4、像板滑座5架持在水平滑軌7上，物板2、像板3分別與物板滑座和像板滑座伸縮滑動連接，放大面板8位于物板、像板所在的鉛垂面間，透鏡標志板1安置在放大面板上，其正、反面上分別畫有凹凸透鏡標志，物板上畫有物標志圖案，像板上畫有相同的放大的物標志圖案，放大面板8對應于像板滑座的滑動區(qū)域板面上開有三角形放大窗口21，搖臂6轉(zhuǎn)動時，播臂兩側(cè)臂通過兩滑座帶動物板、像板水平移動，使像板處于三角形放大窗口的不同位置，呈現(xiàn)出不同大小的像，從而將物體通過透鏡的成像情況及物、透鏡、像三者間的相對位置關系模擬演示出來。
V型搖臂6的結(jié)構(gòu)尺寸，即搖臂上銷軸19至兩側(cè)臂的臂長R、及銷軸至滑軌7所在水平面的距離L滿足R=2Fsinα(cosα+1)/(2cosα+1)L=2Fsinα/(2cosα+1)α=90°-β/2。
式中，F(xiàn)為模擬透鏡的焦距，β為V型搖臂兩側(cè)臂的夾角。
參見圖6幾何原理圖，上述關系式的推導如下直線MM’與直線NN’垂直交與點H，角ACB兩邊與直線MM’交于A、B兩點，角ACB的平分線與直線NN’交于O點，OD垂直AC于D,OE垂直BC于E。
設角ACB=β(β＜180°)，OC與ON夾角為θ,θ角以0C由ON逆時針繞O轉(zhuǎn)動得到的角為正角，反之為負角，令α=90°-β/2；-α≤θ≤α；OD=OE=R；OH=L；BH=U；AH=V，則U=(R+Lcos(α+θ))/sin(α+θ)①V=(R+Lcos(α-θ))/sin(α-θ)②再令θ=0時，U=V=2F；θ=α時，U=F,F為一正數(shù)，代入①②式得R=(2Fsinα(cosα+1))/(2cosα+1) ③L=2Fsinα/(2cosα+1)④因為當-α≤θ≤α時，
1/U+1/V≈1/F所以得出結(jié)論1當把焦距為F的凸透鏡置于H處，物體置于B處時，物體通過凸透鏡成的實像位置在A處。
仍參見圖6,B’、H’為直線MM’上兩點，且BB’=4F,HH’=2F，當0＜9≤α時，令U=B’H’,V=-AH’，因為1/U+1/V≈1/F所以得出結(jié)論2當把焦距為F的凸透鏡置于H’處，物體置于B’處時，物體通過透鏡成的虛象位置在A處。
參見圖7，當-α≤9＜0時，令U=B’H’,V=-AH’因為1/U+1/V≈-1/F所以得出結(jié)論3當把焦距為F的凹透鏡置于H’處，物體置于B’處時，物體通過凹透鏡成的虛像位置在A處。
若角ACB=120°,F=10CM則R=(3+1)F/4=6.88CM,L=(3-1)F/2=3.66CM。
為使本實用新型不僅能演示出物體通過透鏡在垂軸方向的成像情況，同時也能演示出物體通過透鏡在主軸方向上的成像情況，本實用新型在像板5前加設有一對開合幕板10、11，兩幕板上下端的耳孔可沿像板上下端的導桿22、23軸向滑動，其開合運動由作用于耳孔兩端的壓簧和曳引鋼絲12、13完成，鋼絲12的一端與幕板10的耳孔連接、一端穿過固定于支撐桿20一側(cè)的耳孔26后與固定在物側(cè)臂根部的螺釘28連接；鋼絲13的一端與幕板11的耳孔連接，一端穿過支撐桿20另一側(cè)的耳孔27后與固定在像側(cè)臂根部的螺釘29連接，支撐桿上兩耳孔和搖臂上兩螺釘至銷軸19的距離均為8CM，當像板滑座5的搖臂滑動中心距支撐桿20的水平距離為10CM、即為透鏡焦距時，耳孔26、螺釘28與銷軸19中心的連線夾角為150°；耳孔27、螺釘29與銷軸19中心的連線夾角為30°，此時，調(diào)整鋼絲的長度，使幕板10、11的兩相鄰邊剛好接觸，且接觸邊正好對著像板滑座搖臂的滑動中心，便可實現(xiàn)搖臂6帶動像板滑座水平運動的同時也帶動幕板10、11做與像板水平運動相對應的開合運動。
為能模擬演示物體相對透鏡趨于無窮遠或從無窮遠移近，以及像相對透鏡趨于無窮遠或從無窮遠移近時的像變化情況，本實用新型V型搖臂6的兩側(cè)臂末端制成圓弧形，圓弧的弧半徑中心為銷軸19的中心，這樣，當搖臂的一側(cè)臂轉(zhuǎn)至近水平狀態(tài)時，其弧形端在滑座內(nèi)繞銷軸19轉(zhuǎn)動，不推動滑座水平移動，而另一側(cè)臂上的滑座仍隨搖臂的轉(zhuǎn)動繼續(xù)沿滑軌做水平移動，即可象征性地演示出物或像趨于無窮遠或從無窮遠移近的成像情況，為使演示的效果更好，在物板前還加設有物板掩板24，當物板滑座處于搖臂弧形末端時，該掩板可將滑座上的物板掩蓋住，掩板24的邊緣至銷軸19的中心距離小于搖臂弧形末端的弧半徑，同理，像板前也設有掩板，該掩板利用了像板前放大面板上三角形放大窗口，三角形的底邊至銷軸19的水平距離小于搖臂末端的弧半徑，正好可將靜止的像板遮擋住。
為使V型搖臂既可帶動兩滑座做水平運動，又可實現(xiàn)一滑座運動、一滑座靜止運動的要求，本實用新型給出了兩種搖臂與滑座可伸縮滑動的連接方式，如
圖1、圖3所示，一種方式搖臂的橫截面為工字鋼形，滑座體中空的連接腔兩側(cè)壁上各設一相對的凸起軸17，工字鋼兩側(cè)的工字槽正好滑卡在兩凸起軸中；另一種方式如圖4圖5所示，搖臂的橫截面為扁矩形，滑座中空的連接腔兩側(cè)壁上分別設有兩個凸起軸18，且兩壁上的兩凸起軸相互對應，扁矩形搖臂的兩側(cè)正好滑卡在兩側(cè)臂的兩凸起軸之間，搖臂轉(zhuǎn)動時，兩種伸縮滑動形式中的播臂既可在滑座內(nèi)自由地直線伸縮滑動，帶動滑座水平運動，也可以銷軸19為中心、其弧形末端繞滑座內(nèi)的單凸起軸或雙凸起軸轉(zhuǎn)動。
本實施例的滑軌7由兩條水平架持的鋼管組成，物板滑座4、像板滑座5分別通過各自座體兩外側(cè)的4對小滾輪架持在兩鋼管上，當然，滑軌的形式及與滑座的滑接還可為其它的形式，如在滑座兩側(cè)安置滾動軸承，滑軌為與軸承外套相匹配的凹槽滑道等，為使滑座的移動更輕便，還可在兩滑座上接掛配重坨，以減輕運動阻力。
本實施例中，物板2與滑座4之周通過物板架桿14相連接，架桿14為＂L＂形狀，其一個L邊從放大面板8上的水平槽16伸至面板后與物板滑座連接、另一L邊兩端各固定一掛接鋼片，物板2可按演示內(nèi)容的需求架持在架桿的左端或右端，像板3通過像板架15與像板滑座5連接，像板架15為“”，像板滑座與“”的鉛垂板面連接，像板與上、下水平板面連接。為使從三角形放大窗口21中敞露出的像板滑座的移動情況不參與模擬演示，在像板后還設有一擋板30，像板上三角形放大窗口兩斜邊的夾角γ為60°，兩斜邊交點至銷軸19所在的鉛垂面水平距離為10CM，即為焦距。
本實施例的透鏡標志板1的正反面分別用白漆畫出凸凹透鏡形狀，其周圍涂以黑漆，以達醒目，透鏡標志板可根據(jù)演示內(nèi)容的要求，通過兩個插接鋼片31、32，位于放大面板正中的左右兩個位置上。物板2的正面按上下左右分成4部分，4部分按先上后下、先左后右的順序依次涂上白、白、黃、紅三種顏色，物板高H與三角形放大窗口的關系滿足H=2Ftg(γ/2)；像板3上畫有與物板形狀、顏色一致的標志圖案。
參照圖8將透鏡標志板1的凸透鏡標志面朝外，置于放大面板上的插接鋼片31上，將物板2的標志面朝外置于物板架桿14的左端，轉(zhuǎn)動搖臂，使物板在透鏡標志板左側(cè)范圍內(nèi)移動，便可模擬演示出物體通過凸透鏡成放大、等大或縮小的實像情況，并同時反應出物板與像之間的距離大于或等于4F的關系。
參照圖9，將透鏡標志板置于放大面板上的插接鋼片32上，將物板置于物板架桿14的右端，轉(zhuǎn)動搖臂，使物板在透鏡標志板右側(cè)范圍內(nèi)移動，便可模擬演示出物體通過凸透鏡成虛像的現(xiàn)象。
同理，將透鏡標志板1的凹透鏡標志面朝外，置于面板8上的左右插接鋼片31或32上，將物板2置于物板架桿14的左端或右端，搖臂轉(zhuǎn)動時便可模擬演示出物體通過凹透鏡成虛像的現(xiàn)象。
本實用新型的放大面板、像板架、幕板、教具座等可用木板或塑料制作，物板及像板滑座、V型播臂等可采用焊接件，制造加工容易，易于推廣。
權(quán)利要求1．一種透鏡模擬成象演示器具，其特征在于，它包括透鏡標志板[1]、物板[2]、像板[3]、物板滑座[4]、像板滑座[5]、V型搖臂[6]、滑軌[7]、放大面板[8]、教具座[9]等，其中滑軌水平架于教具座上，物板通過物板滑座、像板通過像板滑座分別滑動位于滑軌上，V型搖臂通過銷軸[19]支承于教具座上的支撐桿[20]上，其一個側(cè)臂與物板滑座伸縮滑動連接、其另一個側(cè)臂與像板滑座伸縮滑動連接，放大面板位于像板和物板的鉛垂面之間，其對應于像板的滑動區(qū)域板面上開有三角形放大窗口[21]，其三角形頂角朝面板中心方向，透鏡標志板位于放大面板上，所述透鏡標志板、物板、像板及三角形放大窗口的對稱軸位于同一水平面上，所述V型搖臂的銷軸中心至兩側(cè)臂的距離R、及銷軸中心至滑軌水平面的距離L滿足R=2Fsinα(cosα+1)/(2cosα+1)L=2Fsinα/(2cosα+1)α=90°-β/2。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的演示器具，其特征在于，所述物板[2]的高度H與三角形放大窗口[21]兩斜邊夾角γ的關系滿足H=2Ftg(γ/2)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的演示器具，其特征在于，所述透鏡標志板[1]在放大面板[8]上有兩個安置位置，一個位于銷軸[19]中心的鉛垂面上，另一個位于距前述位置右側(cè)2F的位置上。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的演示器具，其特征在于，所述像板[3]上設有一對開合幕板[10]、[11]，所述開合幕板分別通過其上、下端的耳孔滑動位于像板上、下端的導桿[22]、[23]上，幕板[10]的耳孔兩端面上分別作用有壓簧和曳引鋼絲[13]，幕板[11]的耳孔兩端面上分別作用有壓簧和曳引鋼絲[14]，曳引鋼絲[13]、[14]分別與V型搖臂的兩側(cè)臂根部連接。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的演示器具，其特征在于，所述V型搖臂[6]兩側(cè)臂的臂端為圓弧狀，其圓弧的弧半徑中心為銷軸[19]的中心。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的演示器具，其特征在于，所述V形搖臂[6]與物板滑座[4]、像板滑座[5]的伸縮滑動連接方式為，搖臂兩側(cè)臂的橫截面為工字鋼形，物板滑座、像板滑座中空的連接腔兩側(cè)壁上各有一個相對的凸起軸[17]，該凸起軸分別伸入工字鋼兩側(cè)的工字槽中。
7．根據(jù)權(quán)利要求5所述的演示器具，其特征在于，所述V形搖臂[6]與物板滑座[4]、像板滑座[5]的伸縮滑動連接方式還可為，搖臂兩側(cè)臂的橫截面為扁矩形，物板滑座、像板滑座中空的連接腔兩側(cè)壁上各有兩個相對的凸起軸[18]，扁矩形側(cè)臂的兩側(cè)分別滑動位于兩凸起軸之間。
8．根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的演示器具，其特征在于，所述滑軌[7]為兩條等高的水平鋼管，所述物板滑座[4]、像板滑座[5]分別通過各自座體兩外側(cè)的4對小滾輪滑動架持在兩鋼管滑軌上。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的演示器具，其特征在于，所述物板[2]通過一物板架桿[14]與物板滑座[4]連接，物板架桿的長度為4F，其一端與物板滑座的滑動中心對應，另一端向像板滑座方向水平延伸，物板可置于該桿的左端或右端。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的演示器具，其特征在于，所述像板[3]通過一像板架[15]與像板滑座[5]連接，像板的中心與像板滑座的滑動中心對應。
專利摘要一種透鏡成像模擬演示器具,它由透鏡標志板、物板、像板、V型搖臂、滑軌等組成,物板、像板通過物板、像板滑座可在V型搖臂帶動下沿滑軌水平滑動,透鏡標志板位于放大面板上,物板、透鏡標志板、像板三者之間的位置關系及運動符合透鏡成像規(guī)律,可模擬演示出透鏡在垂軸和主軸兩個方向上靜止及運動的成像情況,可廣泛用于物理光學教學中,是一種具有良好教學效果的光學教學器具。
文檔編號G09B23/00GK2310349SQ9724841
公開日1999年3月10日 申請日期1997年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月7日
發(fā)明者安建勛 申請人:安建勛