УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКТ ПО ОПТИКЕ
TEACHING SET ON OPTICS

Изобретение относится к средствам обучения и касается конструкции учебного комплекта, предназначенного для проведения лабораторных работ и демонстрационных опытов по оптике в условиях типового кабинета физики средних общеобразовательных учебных заведений. Изобретение может использоваться при индивидуальном и групповом обучении для демонстрации оптических явлений в курсе физики при изучении свойств света.
Известен учебный прибор по оптике, содержащий набор дифракционных решеток с разными структурными характеристиками и выполненный с возможностью их последовательной установки в окне диафрагмы. Прибор позволяет получить протяженную и яркую картину дифракции (см. RU 2112283). Прибор имеет ограниченное применение, т.к. рассчитан на демонстрацию только одного из опытов при изучении свойств света. Конструктивное выполнение известного прибора не соответствует современным принципам формирования приборов такого назначения, т.к. прибор не включает в себя современные средства сбора и обработки информации, полученной при проведении экспериментальных опытов по оптике, что усложняет условия их проведения и может привести к получению неточных результатов.
Известен учебный прибор по оптике, содержащий оптическую скамью, оптические элементы, источник света и набор держателей оптических элементов, каждый из которых состоит из рабочей части и опорной части, устанавливаемой в оптической скамье и перемещения вдоль нее. В рабочей части держателя закрепляется оптический элемент (см. DE 1214028). Комплект рассчитан на демонстрацию только небольшого числа опытов. Конструкция используемого в комплекте держателя не обеспечивает, в случае необходимости, закрепление на держателе более одного оптического элемента. Особенности выполнения держателей известного комплекта не позволяют точно позиционировать устанавливаемые в них оптические элементы относительно друг друга, что в результате может привести к некачественному проведению опытов и получению неточных результатов.
Конструктивное выполнение обоих приборов не соответствует современным принципам формирования приборов такого назначения, т.к. указанные приборы не включает в себя современные средства сбора и обработки информации, полученной при проведении экспериментальных опытов по оптике, что усложняет условия их проведения и может привести к получению неточных результатов.
Известен учебный комплект по оптике, в котором использованы современные средства сбора и обработки полученной при проведении опытов информации. Комплект включает компьютер, видеокамеру, установленную в непосредственной близости от компьютера и обеспечивающую возможность фиксировать изображения и передавать их на экран монитора, два коллиматора, соответственно устроенные на внешних сторонах двух объективных линз, источник света (CN 201397602). Известный комплект, в силу используемой в нем конструкции видеокамеры, представляет собой неудобную в пользовании громоздкую обладающую значительным весом установку. В комплекте не предусмотрено наличие специально сконструированных держателей оптических элементов, которые обеспечили бы точное позиционирование оптических элементов относительно объектива видеокамеры, что значительно усложняет обслуживание комплекта и не позволяет обеспечить качественное проведение опытов.
Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является учебный комплект по оптике, включающий компьютер, видеокамеру, установленную в непосредственной близости от компьютера и обеспечивающую возможность фиксировать изображения и передавать их на экран монитора, набор оптических элементов и источник света (CN 201203966). Известный комплект так же, как и комплект по CN 201397602, в силу используемой в нем конструкции видеокамеры, представляет собой неудобную в пользовании громоздкую, обладающую значительным весом установку. В конструкции по CN 201203966 предусмотрены держатели оптических элементов, которые обеспечивают определенное положение оптических элементов относительно объектива видеокамеры, однако, возможность точного позиционирования до степени, обеспечивающей совпадение оптических осей объектива видеокамеры и соответствующего оптического элемента в комплекте по CN 201203966 не обеспечена, что не позволит получить точные результаты проводимых экспериментов.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию учебного комплекта, который позволил бы проводить опыты и демонстрационные эксперименты по изучению оптических явлений с использованием современных средств сбора и обработки информации.
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении изобретения - это получение не громоздкой, удобной в пользовании конструкции, а также повышение качества обучения за счет расширения демонстрационных возможностей и обеспечения качества проведения опытов и экспериментов с получением максимально точных результатов, и сокращение времени на проведение занятий за счет возможности преподносить за одно и то же время большие количества изучаемого материала.
Для достижения указанного технического результата предлагается учебный комплект по оптике, включающий набор оптических элементов, по меньшей мере один держатель оптических элементов, компьютер и Веб-камеру, встроенную в компьютер. Держатель оптических элементов выполнен с возможностью установки его на корпусе Веб-камеры и с возможностью обеспечения при этом такого положения закрепляемых в нем оптического элемента или группы оптических элементов, при котором оптические оси оптического элемента или группы оптических элементов и объектива совпадают.
В состав комплекта входит источник электромагнитного излучения. Корпус, в котором размещена Веб-камера, встроен в верхней планке обрамления экрана монитора компьютера с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси.
Монитор установлен с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, проходящей через его вертикальную ось симметрии.
Изобретение иллюстрируется чертежами
где на фиг.1 изображен компьютер со встроенной Веб-камерой;
на фиг.2 - показан оптический держатель для одного оптического элемента;
на фиг.3 - показан оптический держатель для группы оптических элементов в разобранном виде;
на фиг.4 - оптический элемент.
Предлагаемый учебный комплект включает компьютер (мини-компьютер, ноутбук) 1, набор оптических элементов 2, по меньшей мере один держатель 3 оптических элементов 2, источник электромагнитного излучения (источник света, источник видимого ИК- и УФ-диапазона; не показан).
В верхнюю планку 4 обрамления 5 экрана монитора 6 компьютера встроен корпус 7, внутри которого расположена Веб-камера (цифровая видео- или фотокамера, способная в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи по сети Интернет).
Держатель 3 оптических элементов 2 может быть выполнен в виде единой монолитной детали (фиг.2) или разборным (фиг.3).
Держатель, показанный на фиг.2 используется под один оптический элемент 2 и состоит из вертикальной стойки 8, предназначенной для крепления оптического элемента 2, вертикальной посадочной стойки 9 и перемычки 10, соединяющей указанные стойки 8 и 9. Расстояние между стойками 8 и 9 выбирается из условия обеспечения плотной посадки держателя на корпус 7 с опорой на наружную поверхность корпуса 7 внутренней поверхности перемычки 10. Для обеспечения указанной посадки перемычки 10 на корпус 7 внутренняя поверхность перемычки имеет конфигурацию, ответную конфигурации наружной поверхности корпуса 7. Благодаря такому выполнению обеспечивается стабильное позиционированное положение оптического элемента 2 относительно объектива 11 Веб-камеры.
Каждый оптический элемент вставлен в кольцевую оправку 12, в которую вмонтировано железное кольцо, обеспечивающее закрепление оправки на магнитных элементах 13, предусмотренных на стойках 8 держателей 3.
Держатель, показанный на фиг.3 предназначен для установки группы оптических элементов 2 и преимущественно выполняется разборным. При этом он включает две вертикальных стойки 8а и 8б, каждая из которых предназначена для крепления соответствующего оптического элемента 2 (на чертеже показано, что каждая из стоек имеет арочную конфигурацию). Перемычка, соединяющая вертикальные стойки 8а, 8б и посадочную вертикальную стойку 9, выполняется из двух частей 14 и 15, соединение которых между собой обеспечивается посадкой части 14 через отверстия 16 на штыри 17, имеющиеся на части 15. В отношении той части держателя, которая обеспечивает его посадку на корпус 7 Веб-камеры, должны соблюдаться все условия ее выполнения, которые подробно были показаны для держателя по фиг.2.
В качестве оптических элементов используются: дифракционная решетка, пластина с одинарной щелью, щели Юнга (двойная щель), кольцевая диафрагма, собирающая линза, рассеивающая линза, поляризационные фильтры и др.
Предлагаемый учебный комплект используется следующим образом.
На магнитных элементах 13 держателя 3 закрепляют оптический элемент или группу оптических элементов 2, участвующих в проведении соответствующего опыта. Источник света устанавливают перед объективом Веб-камеры. Осуществляют точное наведение веб-камеры на источник света поворотом корпуса 7 вокруг горизонтальной оси и поворотом монитора 6 вокруг вертикальной оси 18. На встроенный в обрамление 5 экрана монитора 6 корпус 7, внутри которого расположена Веб-камера, насаживают подготовленный в работе держатель 3 с оптическим элементом (при включенной Веб-камере). Дополнительно подстраивают оптический элемент таким образом, чтобы его оптическая ось совпадала с оптической осью объектива Веб-камеры, наблюдая за совпадением осей на экране монитора. Дополнительная подстройка оптического элемента 2 осуществляется путем регулирования его положения в держателе 3 за счет юстировочного смещения оптического элемента относительно магнитных элементов 13. В качестве примера рассмотрим установку в держателе 3 в качестве оптического элемента дифракционной решетки. При прохождении через дифракционную решетку светового потока от источника света на экране монитора наблюдаем размытое изображение диафрагмы-щели и многоцветные полосы (максимумы дифракционной картины), разделенные темными промежутками (минимумы дифракционной картины) и расположенные с обеих сторон от изображения щели. Размытое изображение диафрагмы-щели имеет белый цвет - это центральный или нулевой максимум. Цветные полосы - это дифракционные максимумы разных порядков. У решеток с разными периодами дифракционные спектры имеют разную ширину. Чем больше период, тем уже спектр. По дифракционной картине опыта оцениваются основные параметры исследуемой решетки.