ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию, используемому в учебных процессах на уроках физики, как в высших учебных заведениях, так и в училищах, в средней школе с использованием современных электронно-вычислительных систем с устройствами мультимедиа.
Известны ряд учебных приборов по оптике патенты РФ №№2077073, 2112283, 2114462, основанные на базе стандартных оптических элементов. Однако известные технические решения предназначены для конкретных задач по изучению оптических явлений в образовательном процессе и являются дополнительными средствами для специализированных курсов из раздела «оптика».
Известно техническое решение по патенту РФ №2226005, G09В 23/22, опубл. 20.03.2004, содержащее основание с закрепленными на нем штативом, источником света, набором оптических элементов, лазером, светофильтром, экраном с прорезью. Однако данный учебный прибор не позволяет оперативно сохранить в электронном виде полученные картины интерференции света для последующего анализа.
Наиболее близким техническим решением является техническое решение «Учебно-демонстрационный стенд для изучения демонстрации световых явлений» по патенту РФ №2320023, кл. G09В 23/22, опубл. 20.05.2005, содержащем оптическую скамью с боковыми стенками и кожухом, внутри которого размещены электродвигатель, блок питания, блок управления, кронштейны для закрепления направляющих, снабженных подвижными стойками дифракционных объектов, на одном кронштейне закреплена стойка лазерных излучателей, а на противоположном кронштейне - стойка устройства отображения, выполненного в виде перископа с экраном и зеркалом.
Однако данный прибор не обеспечивает оперативное сохранение изображения в электронном виде и не имеет средств математической обработки.
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции прибора, расширение его функциональных возможностей, а именно обеспечение возможности записи проводимых исследований с последующим анализом полученных результатов и возможности их дальнейшей математической обработки, хранения данных и сопоставления результатов, полученных в разных экспериментах.
В результате использовании предложенного технического решения учащийся получает возможность приобретения навыков работы с оптическим оборудованием, изучения фундаментальных физических явлений из раздела волновая и геометрическая оптика, а также использования вычислительной техники для обработки результатов измерения в реальном времени.
Указанный технический результат достигается тем, что лабораторное оборудование для изучения оптических явлений, содержащее оптическую скамью с закрепленными на ней посредством стоек лазерным источником света, линзой, дифракционной решеткой, устройство отображения с зеркалом, блок питания, дополнительно снабжен листом металлическим, линзами рассеивающей и собирающими, штативом с муфтами и перекладиной, поляризационными фильтрами, оправкой с экраном, снабженным двумя щелями, треугольной призмой, светодиодным источником, люминесцентным элементом, при этом устройство отображения выполнено в виде портативного мультимедийного компьютера, крышка которого снабжена встроенной видеокамерой, а оптическая скамья включает основание и крышку, причем основание выполнено в виде короба, внутри которого выполнены отсек для блока питания и бобышка с глухим резьбовым отверстием для закрепления его на штативе, а стойки для установки лазерного источника света и линз выполнены в виде -образных рамок и расположены на наружной лицевой поверхности основания, при этом лазерный источник света одним проводом соединен с блоком питания, а другим с контактом, расположенным во внутреннем продольном пазу стойки -образной рамки для установки оправки с экраном, причем одна из боковых сторон основания снабжена продольными магнитными полосками для закрепления его на вертикальной классной доске, а крышка выполнена в виде пустотелого короба, внутри которого выполнены бобышки с глухими резьбовыми отверстиями для закрепления крышки на основании, а крышка компьютера снабжена дополнительным держателем оптических элементов, выполненным в виде двух -образных рамок, горизонтальные полки которых соединены перемычкой, снабженной пружинящим хвостовиком, а все стойки рамок снабжены встроенными магнитными шайбами. Лабораторное оборудование для изучения оптических явлений характеризуется тем, что продольные пазы стоек обращены друг к другу, а стойки с продольными пазами выполнены с угловыми выборками на одной стороне и встроенными магнитными шайбами на другой внешней стороне.
Лабораторное оборудование для изучения оптических явлений может использоваться в нескольких модификациях, в зависимости от проводимых опытов либо по волновой оптике, либо по геометрической оптике, либо по фотометрии, для чего используются те или иные элементы учебного прибора.
На фиг.1 изображено лабораторное оборудование для изучения оптических явлений по волновой оптике. На фиг.2 - дополнительный держатель крышки компьютера, на фиг.3 - вид А фиг.2. На фиг.4 - основание, на фиг.5 - вид В фиг.4, на фиг.6 - вид С фиг.4. На фиг.7 изображена крышка, на фиг.8 - то же, вид сбоку, на фиг.9 - то же, вид сверху. На фиг.10 изображен фрагмент взаимодействия крышки и основания при их соединении. На фиг.11 - схема проведения опытов по дифракции света. На фиг.12 - схема проведения опытов по геометрической оптике.
При изучении оптических явлений по волновой оптике в соответствии с методикой проведения опытов, прилагаемой к каждому оборудованию(на чертеже не показана), используют портативный мультимедийный компьютер 1, крышка 2 которого снабжена встроенной видеокамерой 3, а на поднятую крышку 2 в зоне видеокамеры 3 устанавливается дополнительный держатель 4 оптических элементов выполненный в виде двух П-образных рамок 5, горизонтальные полки которых соединены перемычкой 6, снабженной пружинящим хвостовиком 7, а все стойки 8 рамок 5 снабжены встроенными магнитными шайбами 9. В держатель 4 устанавливают полупрозрачный белый экран 10 и собирающая линза 11. На штатив 13 посредством муфт и перекладины (на чертеже не указаны) устанавливают основание 14 оптической скамьи без крышки 15, основание 14 выполнено в виде короба. Внутри короба основания 14 выполнены отсек 16 для блока питания 17 и бобышка 18 с глухим резьбовым отверстием 19, посредством которого основание 14 закрепляется на штативе 13. Наружная лицевая поверхность 20 основания снабжена сквозным отверстием 21, и ∐-образной рамкой 22, перемычка которой снабжена глухим резьбовым отверстием 23. Рамка 22 предназначена для установки лазерного источника света 24 «типа точка» на 3 вольта, который одним проводом 25 соединен с блоком питания 17, а вторым проводом 26 соединен с контактом 27 расположенным внутри продольного паза 28 стойки 29 - ∐-образной рамки 30. Луч от лазерного источника света 24 проходит сквозь установленную в ∐-образной рамке 31 рассеивающую линзу 32 и расширяется. Интерференционная картина проецируется на полупрозрачный экран 10, с которого видеокамера 3 передает информацию в компьютер 1, а далее учащиеся в соответствии с методикой проводит анализ полученной картины. Стойки 29 рамки 30 выполнены с угловыми выборками 33 на одних сторонах обращенных к лазерному источнику и встроенными магнитными шайбами 34 на других внешних сторонах стоек 29. На выборки 33 как по направляющим одевается крышка 15 и посредством винтов закрепляется в отверстиях 21 и 23. В пазах 28 устанавливают оправку 35 с экраном, снабженным двойной щелью (на чертеже не показано). Одна из боковых сторон основания 14 снабжена продольными магнитными полосками 36 для закрепления ее на вертикальной классной доске (на чертеже не показано).
При проведении опытов по дифракции света, см. фиг 11, в соответствии с методикой, на штатив вместо основания с лазерным источником света «типа точка» используется другой источник света либо лампа 37, закрытая замкнутым экраном 38 с одной щелью 39, либо светодиодный источник 40, при этом в держатель 4 устанавливаются дифракционная решетка 11 и поляризационные фильтры 12 и в такой компоновке держатель 4 устанавливают на крышку 2 компьютера 1.
При проведении опытов по явлениям люминесценции в соответствии с методикой используют люминесцентный элемент 40, который устанавливают на штатив.
Для исключения повреждения расположенных на основании оптических элементов она закрывается крышкой 15, см. фиг.7. Крышка 15 выполнена в виде пустотелого короба, внутренняя полость 41 которого снабжена ребрами 42 и в которую заходят все стойки рамок 22, 31, 30, причем, внутри полости 41 выполнены бобышки 43, снабженная глухим резьбовым отверстием 45, и бобышка 44 с отверстием 46 для соединения соответственно с отверстиями 21 и 23 основания посредством, например винтов (не показано) с основанием 14.
Прибор работает следующим образом.
При изучении интерференции света в соответствии с методикой используют лазерный источник света «типа точка» в рамку 30 основания устанавливается оправка 35 экрана с двойной щелью, которая замыкает контакты 27 цепи питания лазерного источника света, а в держатель 4 устанавливают собирающую линзу 11 и полупрозрачный белый экран 10. Луч от источника света 24, проходя сквозь рассеивающую линзу 32, расширяется и к моменту достижения экрана с двойной щелью в оправке 35 становится достаточным по ширине, чтобы избежать дополнительную юстировку экрана. Пройдя двойную щель, луч разделяется на два когерентных, которые интерферируют друг с другом. Интерференционная картина проецируется на полупрозрачный экран 10, установленный в держателе 4 и с помощью собирающей линзы 11, также установленной в держателе 4, заводится в объектив встроенной в компьютер камеры 3. На дисплее компьютера 1 появляется интерференционная картинка, скопированная с полупрозрачного экрана 10. Учащийся получает в электронном виде интерференционную картину, пригодную для анализа.
При проведении опытов по геометрической оптике см. фиг.12 используется мультимедийный компьютер 1, а также штатив с муфтами и перекладиной, на который закрепляется экран, выполненный в виде металлического листа 47. На листе 47 устанавливают лазерный источник света 48 формирующий линию на листе 47, луч от которого направляют на любой установленный оптический элемент, либо на линзу цилиндрическую 49, либо на плоскопараллельную пластину 50, либо на зеркало 51, основание всех оптических элементов снабжены магнитами для закрепления их на металлическом листе 47. При этом учебный прибор работает следующим образом: луч от лазера проходит сквозь оптические элементы, отображая оптический путь на металлическом листе 47. Камера 3 компьютера 1 фиксирует оптический путь луча и оптические элементы на дисплее в электронном виде для дальнейшего анализа и изучения законов геометрической оптики.
Использование в учебном процессе данного оборудования позволяет проводить лабораторные работы, а так же работы физического практикума по разделам «волновая и геометрическая оптика» с использованием мультимедийного компьютера, позволяющим оперативно сохранять в электронном виде полученные данные, анализировать, а так же проводить математическую обработку результата.