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容的教學教具只有公知的光具座，透鏡成像規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整、觀察、測量、比較，操作過程繁瑣；2．透鏡成虛像的現象教室內學生觀察不到；3．實驗只能表現出物體在垂軸方向呈正立或倒立、放大或縮小的實像情況，不能表現出物體在主軸水平方向的成像變化情況；4．只能呈現物體相對透鏡靜止時成的實象，不能呈現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，其一個側臂與物板滑座伸縮滑動連接，其另一個側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型搖臂的兩側臂根部連接。
上述演示器具，所述V型搖臂6兩側臂的臂端為圓弧狀，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壁上各有兩個相對的凸起軸18，扁矩形側臂的兩側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。
本實用新型根據透鏡成像規律，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時的成像情況，具有模擬演示范圍大、內容全，演示操作簡便迅速，演示形象、直觀，觀察視角大等優點；此外，還具有設計科學、結構合理、易于生產制造的特點。
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述


圖1是本實用新型結構示意圖；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型播臂結構尺寸幾何原理圖；圖8、圖9是透鏡成像模擬演示圖。
圖1所示的結構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域板面上開有三角形放大窗口21，搖臂6轉動時，播臂兩側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的結構尺寸，即搖臂上銷軸19至兩側臂的臂長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為模擬透鏡的焦距，β為V型搖臂兩側臂的夾角。
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，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20一側的耳孔26后與固定在物側臂根部的螺釘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另一側的耳孔27后與固定在像側臂根部的螺釘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，當搖臂的一側臂轉至近水平狀態時，其弧形端在滑座內繞銷軸19轉動，不推動滑座水平移動，而另一側臂上的滑座仍隨搖臂的轉動繼續沿滑軌做水平移動，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壁上各設一相對的凸起軸17，工字鋼兩側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，扁矩形搖臂的兩側正好滑卡在兩側臂的兩凸起軸之間，搖臂轉動時，兩種伸縮滑動形式中的播臂既可在滑座內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的單凸起軸或雙凸起軸轉動。
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，透鏡標志板可根據演示內容的要求，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，轉動搖臂，使物板在透鏡標志板左側范圍內移動，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，轉動搖臂，使物板在透鏡標志板右側范圍內移動，便可模擬演示出物體通過凸透鏡成虛像的現象。
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，搖臂轉動時便可模擬演示出物體通過凹透鏡成虛像的現象。
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，其一個側臂與物板滑座伸縮滑動連接、其另一個側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．根據權利要求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．根據權利要求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2F的位置上。
4．根據權利要求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型搖臂的兩側臂根部連接。
5．根據權利要求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．根據權利要求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的工字槽中。
7．根據權利要求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壁上各有兩個相對的凸起軸[18]，扁矩形側臂的兩側分別滑動位于兩凸起軸之間。
8．根據權利要求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的4對小滾輪滑動架持在兩鋼管滑軌上。
9．根據權利要求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．根據權利要求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 優先權日1997年11月7日
發明者安建勛 申請人:安建勛