УЧЕБНЫЙ КОМПЛЕКТ ПО ОПТИКЕ

Полезная модель относится к средствам обучения и касается конструкции учебного комплекта, предназначенного для проведения демонстрационных опытов по оптике в условиях типового кабинета физики средних общеобразовательных учебных заведений.
Известен учебный комплект по оптике, содержащий источник белого света, линзы, светофильтры и экран. Комплект предназначен для демонстрации явления разложения белого света в спектр (см. US 4033052, 1977 г.). Известный комплект имеет ограниченное применение, т.к. рассчитан на демонстрацию только небольшого числа опытов при изучении свойств света и не позволяет демонстрировать все многообразие эффектов, связанных со свойствами света.
Известен учебный прибор по оптике, предназначенный, в том числе, для использования на уроках физики в средней школе при демонстрации эксперимента по разделению длины волны. Помимо комплекта линз и других оптических элементов в состав прибора входят средства преобразования электрических сигналов, звуковых сигналов и цифровых сигналов в оптические сигналы (см. CN 201122374, 2008 г.). Прибор имеет сложную конструкцию и используется для демонстрации только одного оптического эксперимента.
Ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели является устройство для демонстрации явлений оптики, содержащее лазерный источник излучения, преобразующий оптический элемент, экран и рабочий оптический элемент. Лазер имеет автономный источник питания и установлен в держателе, задняя поверхность которого снабжена постоянными магнитами, преобразующий оптический элемент представляет собой цилиндрическую линзу для развертывания луча в плоскость, ортогональную экрану, являющемуся магнитной доской. В устройство введен дополнительно набор рабочих оптических элементов, при этом все оптические элементы выполнены съемными, для чего их задние поверхности, выполненные диффузно отражающими, снабжены постоянными магнитами, (см. RU 4179 U1, 1997 г.). Известное устройство имеет недостаточно широкие демонстрационные возможности вследствие использования лазерного осветителя с одним лазерным источником света. В результате известное устройство не позволяет демонстрировать целый ряд оптических эффектов, проявляющихся при воздействии на оптические элементы несколькими источниками света.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи по созданию учебного комплекта по оптике, который позволил бы проводить демонстрационные эксперименты по различным темам учебного курса оптики, обеспечивающие наблюдение за распространением в пространстве светового луча, испущенного одним или несколькими лазерными источниками света.
Технический результат, который может быть достигнут при осуществлении полезной модели, заключается в расширении демонстрационных возможностей учебного комплекта по оптике с обеспечением при этом удобства пользования в процессе обучения и повышения достоверности проводимых опытов.. В результате повышается эффективность обучения как при участии преподавателя, так и в самостоятельном режиме и как при групповом, так и при индивидуальном обучении. Учебный комплект позволяет преподносить изучаемый материал практически любой аудитории.
Для достижения указанного технического результата предлагается учебный комплект по оптике, содержащий лазерный осветитель, корпус которого выполнен в виде коробки, и набор оптических элементов. Внутри коробки осветителя вмонтировано нечетное количество лазерных источников света, а в одной из ее боковых стенок выполнены отверстия по числу источников света, расположенные напротив указанных соответствующих источников. Набор оптических элементов включает: плоскопараллельную пластину, по меньшей мере, одну полуцилиндрическую пластину, собирающую и рассеивающую цилиндрические линзы для моделирования хода луча на сферических поверхностях, каждая из которых имеет нижнюю и верхнюю параллельные плоские грани и две боковые цилиндрические поверхности выпуклые для собирающей линзы и вогнутые для рассеивающей линзы с одинаковыми радиусами кривизны для обеих линз, цилиндрическую линзу и треугольную призму. Габариты поверхностей оптических элементов, обращаемых, при проведении демонстрационных опытов, к отверстиям в коробке осветителя, выбраны из условия перекрытия этими поверхностями всех указанных отверстий с тем, чтобы при проходе лучей от лазерных источников света через оптические элементы были охвачены все характерные точки оптических элементов.
Осветитель выполнен с возможностью крепления к магнитной поверхности с помощью, по меньшей мере, одного закрепленного на его опорной поверхности магнитного держателя, преимущественно, представляющего собой накладку из магнитопласта.
Оптические элементы выполнены с возможностью крепления к магнитной поверхности с помощью магнитных держателей Магнитные держатели оптических элементов, магнитные держатели оптических элементов представляют собой встроенные магнитные элементы или накладки из магнитопласта.
Опорная поверхность оптических элементов покрыта белой матовой краской.
Осветитель снабжен адаптером, присоединяемым к бытовой сети.
Набор оптических элементов включает две полуцилиндрические пластины, отличающиеся одна от другой радиусом цилиндра.
Комплект дополнительно включает двустороннее пластиковое зеркало с зажимами для фиксации зеркала в изогнутом состоянии и плоское зеркало на уголковом держателе.
Набор оптических элементов дополнительно включает трапециевидную призму.
Благодаря использованию в предлагаемом комплекте лазерного осветителя с нечетным количеством источников света, обеспечивается возможность демонстрации большого числа опытов, связанных с наблюдением за распространением в пространстве светового луча, испущенного одним, тремя или пятью лазерными источниками света, вмонтированными в единый корпус осветителя. Примеры, связанные с демонстрацией некоторых из таких опытов, показаны ниже в описании, а также в прилагаемых изображениях. При этом геометрические параметры оптических элементов подобраны таким образом, что каждый из оптических элементов может участвовать при демонстрации оптических явлений с использованием любого числа лазерных источников света, предусмотренных в осветителе. Состав набора оптических элементов позволяет максимально разнообразить показ особенностей похождения луча/лучей через оптические элементы, используемые автономно, либо устанавливаемые последовательно в различных сочетаниях, либо устанавливаемые в контакте друг с другом также в различных сочетаниях.
Возможность крепления осветителя и оптических элементов на любой наклонной и вертикальной магнитной поверхности за счет использования магнитных держателей обеспечивает демонстрацию опытов, доступную для любой аудитории, при этом стабильность положения элементов комплекта, удерживаемых на магнитной поверхности, обеспечивает значительное удобство в процессе демонстрации и точность получаемых результатов.
Полезная модель поясняется изображениями, где
на фиг.1 показан лазерный осветитель в аксонометрии;
на фиг.2 - оптические элементы комплекта;
рис.1-3 иллюстрируют Опыт 1 «Формирование понятия мнимого изображения»;
рис.4-6 иллюстрируют Опыт 2 «Оптическая сила двух сложенных линз»;
рис.7-12 иллюстрируют Опыт 3 «Отражение света от криволинейных поверхностей»;
рис.13-16 иллюстрируют Опыт 4 «Прохождение света через плоскопараллельную пластину»;
рис.17-19 иллюстрируют Опыт 5 «Введение понятий фокуса, фокусного расстояния линзы и оптической силы собирающей линзы»;
рис.20-21 иллюстрируют Опыт 6 «Введение понятия фокус рассеивающей линзы и ее фокусного расстояния».
Учебный комплект по оптике содержит лазерный осветитель 1 и набор оптических элементов.
Корпус лазерного осветителя 1 выполнен в виде коробки 2, которая имеет возможность крепления на магнитной поверхности с помощью магнитного держателя, преимущественно представляющего собой накладку 3 из магнитопласта, закрепляемую на опорной поверхности корпуса осветителя и, преимущественно, покрывающую всю эту поверхность. Для крепления коробки на магнитной поверхности может быть использовано и несколько магнитных держателей, закрепляемых, например, в угловых частях опорной поверхности корпуса осветителя. На лицевой стороне коробки осветителя 1 расположен включатель. Внутри коробки 2 осветителя вмонтированы установленные в один ряд лазерные источники света, а в боковой стенке 4 коробки выполнены сквозные отверстия 5 (по числу источников света), расположенные в один ряд и напротив соответствующих лазерных источников света. Число лазерных источников, а, следовательно, и отверстий 5 нечетное. В конкретном примере, содержащемся в описании и в прилагаемых изображениях, показан осветитель, имеющий пять лазерных источников света, средний из которых расположен в центральной части боковой стенки 4. Осветитель 1 снабжен адаптером 6, который присоединяется к бытовой сети 220 В, благодаря чему для работы с учебным комплектом не требуется специальный источник электропитания.
Набор оптических элементов включает: плоскопараллельную пластину 7, две полуцилиндрические пластины 8 и 9, отличающиеся одна от другой радиусом цилиндра, собирающую 10 и рассеивающую 11 цилиндрические линзы для моделирования хода луча на сферических поверхностях и треугольную призму 12. Собирающая цилиндрическая линза 10 имеет нижнюю и верхнюю параллельные плоские грани и две боковые выпуклые поверхности 13 с одинаковыми радиусами кривизны. Рассеивающая цилиндрическая линза 11 имеет нижнюю и верхнюю параллельные плоские грани и две боковые вогнутые поверхности 14 с одинаковыми радиусами кривизны. При этом радиусы кривизны выпуклых и вогнутых поверхностей соответственно для собирающей и рассеивающей линз равны между собой. Оптические элементы представляют собой прозрачные тела из пластика. При изготовлении оптических элементов соблюдают следующее условие: те боковые поверхности оптических элементов, которые при проведении демонстрационных опытов ориентируются (обращаются) к отверстиям в коробке осветителя, должны иметь такие габаритные размеры (геометрические параметры), при которых указанная поверхность каждого оптического элемента может перекрывать все отверстии в коробке 2 осветителя (т.е. все исходящие от лазерных источников света лучи). Иными словами при проходе через каждый конкретный оптический элемент лучи от лазерных источников света должны охватывать все характерные точки этого оптического элемента.
Опорные поверхности оптических элементов покрыты белой матовой краской. Оптические элементы имеют возможность крепления к магнитной поверхности с помощью магнитных держателей, предусмотренных на их опорных поверхностях. Так же, как и для коробки 2 осветителя, таким держателем может служить накладка из магнитопласта, закрепляемая на опорной поверхности оптического элемента (с покрытием всей этой поверхности), или отдельные магнитные элементы 15, встраиваемые в оптические элементы.
В состав комплекта дополнительно входят также трапециевидная призма (рис.14), двустороннее пластиковое зеркало 16 с зажимами для фиксации зеркала в изогнутом состоянии и плоское зеркало 17 на магнитном уголковом держателе.
В демонстрационных экспериментах, которые проводятся с использованием данного комплекта, наблюдают за распространением в пространстве светового луча, испущенного одним, тремя или пятью лазерными источниками света, вмонтированными в единый корпус осветителя 1. Осветитель 1 и все остальные детали крепится к магнитной доске с помощью магнитных держателей, установленных на их корпусах. Луч каждого лазера осветителя разворачивается цилиндрической линзой в узкий плоский пучок света, плоскость которого располагается перпендикулярно доске. За счет этого свет падает на поверхность доски и рассеивается на ее неровностях. На доске возникает яркий узкий след, что позволяет пронаблюдать его путь вдоль доски. Участки движения луча внутри прозрачных оптических объектов также видны в виде узких линий, поскольку нижняя поверхность объектов покрыта белой матовой краской.
Лазерный осветитель 1 и все оптические элементы размещаются в одной коробке в соответствующих гнездах.
Предлагаемый учебный комплект позволяет демонстрировать различные оптические эффекты. Ниже приведены отдельные примеры использования комплекта.
Опыт 1. Формирование понятия мнимого изображения
На магнитной доске осветитель 1 крепится так, чтобы луч лазера шел горизонтально. После включения он переводится в режим «3 луча», и перед ним устанавливается полуцилиндрическая пластина 8 малого размера из имеющегося набора оптических деталей. В точке пересечения лучей ставят маркером точку и букву S, поясняя, что эту точку можно считать источником, из которого выходят 3 луча.
На расстоянии 10-15 см от места пересечения лучей размещают плоское зеркало 17 на магнитном уголковом держателе перпендикулярно центральному лучу осветителя 1. Наблюдают отражение лучей и, слегка поворачивая зеркало 17, показывают, что центральный луч при перпендикулярном падении на плоскость зеркала отражается вдоль линии падения (рис.1).
1
Вдоль бокового отраженного луча устанавливают линейку на магнитной полоске. Затем зеркало 17 временно снимают, и вдоль линии расположения линейки устанавливают еще одну линейку на магнитной полоске, так чтобы она пересекала центральный луч, идущий из осветителя 1 (рис.2). Поясняют, что так строятся продолжения лучей, отраженных от зеркала. Точку пересечения продолжений отраженного луча обозначают буквой S.
1
Вернув на прежнее место зеркало, устанавливают его так, чтобы отраженные лучи опять шли вдоль первой двух линейки. Затем линейки перемещают и устанавливают их вдоль центрального луча перед плоскостью зеркала и за ним, показывая, что расстояния от плоскости зеркала до точек S и S одинаковы (рис.3).
Опыт 2. Оптическая сила двух сложенных линз.
На магнитной доске устанавливают осветитель в режиме «три луча», направляя лучи горизонтально. Демонстрируют ход лучей в собирающей 10 (рис.4) и рассеивающей 11 (рис.5) линзах, а затем - прижав линзы 10, 11 друг к другу вплотную (рис.6). Поскольку оптическая сила собирающей и рассеивающей линз отличаются знаками, то есть оптическая сила двух линз меньше и близка к нулю, то это означает, что после прохождения линз 10, 11, прижатых друг к другу, параллельный пучок должен пересечься в фокусе, расположенном на очень большом расстоянии, что и наблюдается в эксперименте.
Опыт 3. Отражение света от криволинейных поверхностей
Для демонстрации отражения лучей от криволинейной поверхности служит зеркало 16 - пластина из пластика, покрытая с обеих сторон тонким слоем металла (рис.7). Пластина из пластика укреплена в пазах двух рифленых черных цилиндрических держателей, которые, в свою очередь, могут сами быть смещены и повернуты относительно прозрачной пластиковой пластины и зафиксированы с помощью винтов (рис.7). Для получения поверхности близкой к фрагменту цилиндрической поверхности, следует ослабить оба винта, удерживающих неподвижно цилиндрические держатели со щелями для пластикового зеркала. Затем, зажав оба рифленых цилиндра между двумя пальцами одной руки, следует одновременно повернуть оба цилиндра вокруг оси так, чтобы пластиковое зеркало приняло нужную форму, и зафиксировать положение рифленых цилиндров, затянув винты и прижав, таким образом, рифленые цилиндры к прозрачной пластине. Причем следует именно вращать винты двумя пальцами (рис.8), используя трение о пальцы, а не просто сдвигать один из рифленых цилиндров вдоль паза в прозрачной пластине. В противном случае поверхность вблизи цилиндров примет неправильную форму, отличную от цилиндрической.
После этого на магнитной доске крепится кривая зеркальная поверхность и осветитель 1. Осветитель после включения переводится в режим «3 луча» или «5 лучей». Осветитель 1 и зеркало 16 устанавливаются так, чтобы центральный луч попадал в центр зеркальной поверхности и отражался сам в себя. Остальные лучи, в зависимости от того вогнутой (рис.9) или выпуклой (рис.10) поверхностью повернута к осветителю зеркальная пластина, будут давать сходящийся или расходящийся пучок лучей (рис.8)
При удачном искривлении поверхности (рис.7) отраженные лучи, падающие на такую поверхность параллельно друг другу, сходятся в одной точке, которую называют фокусом. В случае падения нескольких лучей на выпуклую поверхность и рассеяния их, следует обратить внимание, что продолжения, в не сами лучи пересекаются в одной точке (рис.12)
Рекомендуется обратить внимание учащихся на то, что на каждом малом участке зеркала, которое можно считать плоским, выполняется закон отражения. Качественно это можно продемонстрировать, направляя в центр зеркала 16 один луч из осветителя 1 и меняя угол падения (рис.11)
При проведении демонстрации в старшей школе можно продемонстрировать и обсудить качественную зависимость фокусного расстояния вогнутого зеркала от радиуса кривизны. Для этого лучше всего создать поверхность, освободить винты и менять кривизну зеркала в ходе демонстрации. При большом радиусе кривизны зеркала, можно также, закрепив винты, показать, что сходимость лучей наблюдается и при боковом падении параллельного пучка (рис.12).
Опыт 4. Прохождение света через плоскопараллельную пластину
На магнитной доске устанавливают осветитель 1, работающий в режиме «1 луч», плоскопараллельную пластину 7 с сечением в виде прямоугольника и трапециевидную призму (рис.13).
Луч света направляют на середину одной из параллельных граней пластины 7 перпендикулярно ее поверхности. Когда луч падает перпендикулярно грани, он, пройдя сквозь пластину, не меняет своего направления и положения на экране. При изменении угла происходит смещение луча без изменения его направления после прохождения пластины. Укрепив на доске линейки на магнитных полосках, легко измерить смещение луча при одинаковом угле падения, но при разных толщинах пластины (рис.13-15) и показать, что смещение пропорционально толщине пластины (ширина пластины прямоугольного сечения 25 мм, высота трапеции в сечении пластины со скошенными краями 35 мм). Для неизменности угла падения в этой серии проще всего продемонстрировать ход луча с одним элементом расположив его примерно под углом 45° (рис.13), затем выключить осветитель 1, придвинуть второй элемент вплотную к первому снизу, затем сместить первый вверх, включить осветитель (рис.14), затем придвинуть сверху первый вплотную ко второму и продемонстрировать ход лучей в составной пластине (рис.15). Отодвигая одну пластину от другой по горизонтали без изменения ориентации, можно показать, что смещение в составной пластине, равно сумме смещений в двух пластинах (рис.16)
Опыт 5 Введение понятий фокуса, фокусного расстояния линзы и оптической силы собирающей линзы
На экран устанавливают осветитель 1 в режиме «три луча» и собирающую 10 цилиндрическую линзу (рис.17). Замечают, что после преломления в линзе пучки сходятся в одной точке, лежащей на оси симметрии линзы. Дают определение фокуса линзы как точки, где сходятся после преломления в линзе лучи, параллельные оптической оси. С помощью линеек на магнитных полосках измеряют фокусное расстояние линзы (отрезок от центра линзы до фокуса f≈7,5 см ÷ 8 см).
Заменяют линзу сначала на большую полуцилиндрическую пластину 9, затем на малую полуцилиндрическую пластину 8, отмечая, что преломление лучей происходит все сильнее и точка пересечения ими оси симметрии происходит все ближе к преломляющей поверхности (рис.18, 19).
Дают понятие оптической силы линзы как способности преломлять лучи. Если считать точки пересечения лучей, прошедших сквозь две полу цилиндрические пластины, фокусами таких линз, то оказывается, что оптическая сила полуцилиндрической пластины с меньшим радиусом больше, а фокус меньше. Возвращают на место полуцилиндрической пластины собирающую «тонкую» цилиндрическую линзу и вводят понятие оптической силы линзы, как величины обратной фокусному расстоянию. Если фокусное расстояние измерено в метрах, то величину оптической силы равную 1 м называют диоптрией. 1 диоптрия - оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м. Используя значение фокусного расстояния собирающей линзы, считают ее оптическую в диоптриях.
Опыт 6 Введение понятия фокус рассеивающей линзы и ее фокусного расстояния
На экране устанавливают собирающую 10 и рассеивающую 11 линзы и осветитель 1 в режиме «пять лучей». Повторяют опыт с демонстрацией фокуса собирающей линзы (рис.20) и дают определение фокуса как точки пересечения лучей, идущих до преломления в линзе параллельно главной оптической оси.
Меняют собирающую линзу на рассеивающую, установив собирающую линзу строго над рассеивающей. Дают определение фокуса такой линзы как точки пересечения продолжения лучей, шедших до преломления параллельно главной оптической оси рассеивающей линзы. Построение положения фокуса линзы проводят с помощью 2-х линеек на магнитных полосках или двух листов бумаги (рис.21). Фокусное расстояние примерно равно 7 см.