电子自旋演示科普仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种电子自旋演示科普仪，属于量子物理学领域。


背景技术：

2.1925年，g.e.乌伦贝克和s.a.古兹密特受到泡利不相容原理的启发，分析原子光谱的一些实验结果，提出电子具有内禀运动——自旋，并且有与电子自旋联系的自旋磁矩，由此来解释原子光谱的精细结构及反常塞曼效应。电子自旋是一种纯量子效应，并不是电子自转产生的，在经典世界中并无类似的物理量对应。因此很难让公众接受抽象的自旋概念，给电子自旋概念的科普、教学工作带来了很大的困难。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种电子自旋演示科普仪，它能够用实物的形式直观的演示电子自旋的在任意方向测量只能取两个相反的值的特性，使原本抽象的电子自旋概念能够可视化展示，有助于向公众科普电子自旋的基本原理，能够降低电子自旋概念科普和教学工作的难度。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种电子自旋演示科普仪，它包括：
5.箱体，所述箱体上设有适于开闭并分别对应相应观测方向的三个观测门；所述观测方向包括x观测方向、y观测方向和z观测方向；
6.分别和相应观测门对应设置并适于在相应观测门打开时生成相应开门信号的传感器；
7.设于所述箱体内的电子自旋演示部件，所述电子自旋演示部件包括代表电子旋转向上或向下状态的箭头指示组件和驱动所述箭头指示组件动作的驱动组件；
8.单片机，所述单片机分别与所述传感器和驱动组件相连，所述单片机适于根据接收到的相应的开门信号控制所述驱动组件动作，以使所述箭头指示组件动作至正对所述观测方向并随机动作至以观测方向为正方向的向上或向下状态。
9.进一步，所述驱动组件包括：
10.第一电机；
11.连接在所述第一电机的输出轴上的托盘；
12.连接在所述托盘上的第二电机；其中，
13.所述箭头指示组件连接在所述第二电机的输出轴上；
14.所述第一电机和所述第二电机分别与所述单片机相连；
15.所述单片机控制所述第一电机和/或所述第二电机动作使其输出轴旋转，以使所述箭头指示组件动作至正对所述观测方向并随机动作至以观测方向为正方向的向上或向下状态。
16.进一步，为了减轻震动，所述第一电机安装在所述箱体上，所述第一电机与所述箱
体之间和/或所述第二电机与所述托盘之间设有减震垫。
17.进一步，所述单片机适于根据相应的开门信号控制所述第一电机的动作和适于向第二电机发送随机脉冲信号以控制所述第二电机的动作。
18.进一步，为了在演示后，能够使得科普仪回位，以便下次演示，所述传感器适于在相应观测门关闭时生成相应关门信号；
19.所述单片机适于根据相应的关门信号控制所述驱动组件动作，以使所述箭头指示组件回位。
20.进一步，所述单片机通过无线通信模块与所述驱动组件通信连接。
21.进一步，所述无线通信模块包括通信连接的无线发射模块和无线接收模块，所述无线发射模块与所述单片机通信连接，所述无线接收模块与所述驱动组件通信连接。
22.进一步，还包括回转仪，所述箱体设于所述回转仪上。
23.进一步，所述箱体分隔为两个子空间，其中一个子空间用于设置观测门、传感器和电子自旋演示部件，另外一个子空间用于设置单片机。
24.进一步，所述传感器包括超声波传感器、电容传感器、接近开关中的至少一种。
25.采用了上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比：
26.1、相比抽象的理论概念，以实物的形式呈现在演示者面前，更容易理解电子自旋的特性；
27.2、通过产生随机脉冲信号，利用随机数的奇偶性来确定第二电机的转动方向，能够很好的体现电子自旋取向的随机性；
28.3、观测部分有三个观测门，对应三维空间的x、y、y三个探测方向，能够让演示者从不同的方向去探测电子自旋的状态，更加突出电子自旋的特性；
29.4、通过无线收发装置使仪器上下两部分之间的通信，使得电路更加简洁；
30.5、每次关上观测门后触发传感器，使系统自动复位从而进行多次重复演示。
附图说明
31.图1为本实用新型的电子自旋演示科普仪的观测门的布置示意图；
32.图2为本实用新型专利的电子自旋演示科普仪的驱动组件的结构示意图；
33.图3为本实用新型的电子自旋演示科普仪和回转仪的结构示意图；
34.图4为本实用新型的电子自旋演示科普仪的原理框图。
具体实施方式
35.为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
36.如图1~4所示，一种电子自旋演示科普仪，它包括：
37.箱体1，箱体1上设有适于开闭并分别对应相应观测方向的三个观测门11；观测方向包括x观测方向、y观测方向和z观测方向；
38.分别和相应观测门11对应设置并适于在相应观测门11打开时生成相应开门信号的传感器2；
39.设于箱体1内的电子自旋演示部件，电子自旋演示部件包括代表电子旋转向上或
向下状态的箭头指示组件3和驱动箭头指示组件3动作的驱动组件；
40.单片机4，单片机4分别与传感器2和驱动组件相连，单片机4适于根据接收到的相应的开门信号控制驱动组件动作，以使箭头指示组件3动作至正对观测方向并随机动作至以观测方向为正方向的向上或向下状态。
41.如图2所示，驱动组件包括：
42.第一电机51；
43.连接在第一电机51的输出轴上的托盘52；
44.连接在托盘52上的第二电机53；其中，
45.箭头指示组件3连接在第二电机53的输出轴上；
46.第一电机51和第二电机53分别与单片机4相连；
47.单片机4控制第一电机51和/或第二电机53动作使其输出轴旋转，以使箭头指示组件3动作至正对观测方向并随机动作至以观测方向为正方向的向上或向下状态。
48.在本实施例中，为了减轻第一电机51和第二电机52带来的噪声与振动，第一电机51安装在箱体1上，第一电机51与箱体1之间和第二电机53与托盘52之间均设有减震垫。
49.在本实施例中，单片机4适于根据相应的开门信号控制第一电机51的动作和适于向第二电机53发送随机脉冲信号以控制第二电机52的动作。
50.在本实施例中，为了使电子自旋演示科普仪回位，传感器2适于在相应观测门11关闭时生成相应关门信号；
51.单片机4适于根据相应的关门信号控制驱动组件动作，以使箭头指示组件3回位。
52.在本实施例中，为了方便通信，单片机4通过无线通信模块与驱动组件通信连接。
53.无线通信模块包括通信连接的无线发射模块61和无线接收模块，无线发射模块61与单片机4通信连接，无线接收模块与驱动组件通信连接。
54.在本实施例中，如图4所示，无线接收模块包括第一无线接收模块62和第二无线接收模块63，第一无线接收模块62对应第一电机51，第二无线接收模块63对应第二电机53。
55.在某一个实施例中，还可以包括回转仪7，箱体1设于回转仪7上。可将箱体1固定在回转仪中，模拟在空间任意方向探测电子自旋的状态。
56.箱体1分隔为两个子空间，其中一个子空间用于设置观测门11、传感器2和电子自旋演示部件，另外一个子空间用于设置单片机4。
57.两个子空间通过无线通信模块进行通信。
58.在本实施例中，传感器2采用超声波传感器，当然，在某一些实施例中，传感器2可以采用电容传感器、接近开关中的至少一种。
59.在本实施例中，可通过传感器接受开门信号传递给单片机，单片机根据接受到的开门信号确认开门位置，单片机通过发出脉冲的数量与频率来确定第一电机51转动的角度，驱动第一电机51旋转到合适的角度，同时控制第二电机53运转模拟电子自旋向上或向下的状态。第一电机51通过轴承连接托盘52，降低了输出轴在竖直方向上所受的压力；科普仪可以通过交流电或内部蓄电池两种方式供电。科普仪拥有三个开门位置，对应于三维空间x、y、z三个观测角度，可将箱体1固定在配套的回转仪7中，用于模拟在空间任意方向探测电子自旋的状态。
60.在本实施例中，电源10向单片机4供电，通电后，传感器2以固定频率发出超声波并
接收返回的脉冲宽度，演示者打开探测方向对应的观测门11，相应的传感器2检测到返回脉宽发生变化，将信号传至单片机u，单片机u通过接收到的传感器信号判断演示者的探测方向，控制第一电机51转动使第二电机53与箭头指示组件3转至合适的探测位置，同时产生一个随机脉冲信号，通过随机数奇偶性确定第二电机53的运动，来模拟电子的自旋状态。
61.当观测者打开x方向对应的观测门11时，对应观测门11的超声波传感器接收到信号发送给单片机4，单片机4通过无线通信模块向电机发送脉冲。结合图2，第一电机51不运动，第二电机53根据随机数的奇偶不运动或旋转180度，分别代表电子自旋向上和自旋向下。
62.当观测者打开y方向对应的观测门11时，对应观测门11的超声波传感器接收到信号发送给单片机4，单片机4通过无线通信模块向电机发送脉冲。结合图2，第一电机51的输出轴向右旋转90度，第二电机53的输出轴根据随机数的奇偶不运动或旋转180度别代表电子自旋向上和自旋向下。
63.当观测者打开z方向对应的观测门11时，对应观测门11的超声波传感器接收到信号发送给单片机4，单片机4通过无线收发装置jf24d向无线通信模块向电机发送脉冲。结合图2，第一电机51不运动，第二电机53的输出轴根据随机数的奇偶正向旋转90度或逆向旋转90度，分别代表电子自旋向上和自旋向下。
64.演示者关门后，超声波传感器检测到脉冲宽度的变化使系统自动复位准备下一次演示。
65.以上所述的具体实施例，对本实用新型解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
66.在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
67.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
68.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
69.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构
一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
70.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。