[发明专利]几何光学实验仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种几何光学实验设备，具体涉及一种几何光学实验仪。

背景技术

几何光学实验，历来都是物理老师难做的演示实验。公知的几何光学实验仪有很多种，他们大多用平行光束斜射在物体表面，漫反射形成亮线代表光线，显示的亮线时有时无，极不稳定，且实验装置结构复杂，操作不便。在物体表面漫反射形成亮线代表光线，不能演示反射光线、折射光线与入射光线共面的问题。实验时很难在光路面板上显示亮线，面板与界面难以垂直获得法线。

更为重要的是，这种方法是错误的。使用平行平面光束作为光源，旋转显示屏，平行光束在显示屏上的漫反射形成亮线。用这根亮线来代表的入射角与真正的平行光束入射角存在偏差。显示屏上显示的入射角大于平行光束真正的入射角。这些亮线与光线的方向不一致不能代表光线。

比如初中物理在做几何光学实验时，为验证反射角等于入射角，传统的做法 ，让一束平行光的一部分光斜射在平面显示屏E上，形成一条亮线代表“入射光线”l₁;另一部分光线射在平面镜M上，经平面镜反射后，斜射在与E共面的F上，形成一条亮线表示“反射光线”l₂.来验证光的反射定律。

我们来解析这个方法的错误的原因：

首先让一束平行光斜射在平面镜上，会反射光，我们用L1,L,l2三条光线来表示，如图2所示。

其次，将演示显示屏垂直放在镜面上，移动并转动，使显示屏上呈现亮线且亮线的一端点与显示屏上的入射点重合如图3所示。

    假定显示屏上的入射亮线与法线的夹角为∠B，入射角为∠A；显示屏与与入射光线反射光线所在的平面的夹角为∠C，如图4所示：                                 

显然：tanA=QN/ON;tanB=RN/ON；

 则：tanB=RN/QN(tanA)

pk⊥ok,⊿PKO是直角三角形：

seC=PO/KO=RN/QN

故：tanB=secCtanA，

即：∠B=tan^-1secCtanA

显然:   ∠C=0， ∠B=∠A;

∠C〉O, ∠B〉∠A

因此，∠C越大，∠B与∠A的偏差也越大，反射亦然。 

我们可以看出，代表入射光线的那条亮线l1，与真的入射光线L有一交角，反射光线与反射亮线也有一交角。正是由于交角的存在，使这各演示方法存在错误：显示屏上显示的入射角，反射角，比真正的入射角，反射角大。显示屏上的那两条亮线的方向与真正的入射光线，反射光线的方向不一致，不能代表真正的入射光线，和反射光线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种显示屏上显示的入射角反射角等于光线入射角反射角，光线显示的方法正确，光源稳定，便于观测，结构简单，使用方便的几何光学演示仪。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种几何光学实验仪，包括光源、显示屏、光学元件、底座，其特征是光源由激光光源1、圆柱面透镜9、磁铁4连接装置2构成，柱面透镜9安装在激光光源1前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直；所述显示屏由显示屏底板3、实验卡片7构成。显示屏底板由二块长方形铁片构成，并通过铰链6连接，在与底座竖立方向上可自由转动。显示屏底板两端各带有一只与显示屏板垂直的底脚；实验卡片7由画有光路图的显示光的直线传播、光的反射、光的折射等光路图的卡片构成。实验卡片紧贴在显示屏底板上。所述底座由底板5与活动卡槽板10构成，卡槽板固定在底板上，卡槽板10可在沿底板水平方向上自由移动，卡槽开口垂直向上。所述平面镜8安放在底板5上，所述光源吸附在显示屏上，显示屏竖直安放在底座上。所述卡槽板包括卡槽板（101）、（102）、（103），卡槽板（101）、（103）固定在底板上，卡槽板（102）可在沿底板水平方向上自由移动，卡槽板接触面表面平整且垂直于底板。

本发明利用几何光学实验原理：

让光束平面与显示屏平面垂直相截，且欲演示的光线与显示屏上的亮线平行。那么显示屏上的亮线是演示光线的射影，其几何性质与演示光线相同。

本发明光学演示仪柱面透镜9安装在激光头1前，激光头轴线与柱面透镜轴线垂直，激光头发出激光经柱面透镜轴后形成一种扇形平行平面光束作为光源（光束平面为扇形，光束面间相互平行）。