基于丁达尔效应的光路可追踪分光计的制作方法

1.本实用新型涉及一种分光计，特别是涉及一种基于丁达尔效应的光路可追踪分光计。


背景技术：

2.分光计, 又称为测角仪, 是一种广泛使用的既启迪思维又训练动手能力的光学实验仪器. 分光计的基本光学结构又是许多光学仪器（如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等）的基础。它在物理实验中既能够培养学生的基本实验技能，又能培养学生应用理论知识解决实际问题的能力，因此它是大学物理实验的必作实验。根据几何光学或波动光学相关原理, 可开展内容极为丰富的光学实验。
3.在观察有关现象和测量角度时，为获得正确的测量结果，必须保证让分光计的光学系统（准直管和望远镜）要适合平行光。即要求望远镜光轴与分光计的主轴垂直, 以保证观察面是一个平面。这在调节过程中难度是比较大的。
4.学校里常用的分光计一般由装在三脚座上并在同一平面内的准直管、棱镜台和望远镜三个主要部件构成。棱镜台为一圆盘，可以绕中心轴转动，其底座上刻有游标。望远镜则和底座外围刻有角度读数的圆环相连，它们也可以绕中心轴旋转。但准直管的位置固定。从光源发出的光。经准直管变为平行光，再经棱镜色散，改变方向，用望远镜观察而在圆环上读出所偏转的角度。在开展实验前, 必须对分光计进行相关调节, 以保证实验严谨科学及数据准确，一般通过目测粗调望远镜主光轴、平行光管水平轴分别与分光计中心轴大致水平，然后借助双面镜采用“上下各半逐次逼近调节法”调至严格垂直.这是一项非常繁琐并且复杂的调试过程。以上繁琐的调节步骤给实验过程带来极大的不便。所以，教学和科普需要一种方便使用，又能显示追踪光路的分光计。


技术实现要素：

5.本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于丁达尔效应的光路可追踪分光计。以改善传统分光计观察使用时的局限性及不便性，使该分光计方便使用，又能显示追踪光路。
6.为实现上述目的，本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计，其特别之处在于基座主体向后延伸部向上竖立的后立柱上端通过可调固连件设置分光计光源机构，基座主体向前延长伸出的横杆端部向上设置前立柱，前立柱上端通过可调固连件设置望远镜组件，基座主体上面中心设置用于设光学器件的载物台或者后立柱中部通过可调固连件固装前伸的前伸托杆，前伸托杆前端设置位于基座主体上面中心上方用于设光学器件的载物台，基座主体上面设置位于所述载物台前方的用于盛放透光胶液，凸部朝前的半圆环槽型透明容器。优选：分光计光源机构射出的光束轴线与望远镜组件的观察轴线在同一平面内或者为同一水平轴线。因其光路可见，使我们可以很方便的将望远镜主光轴、平行光管水平轴与分光计中心轴调至水平，从而使该调节步骤得到极大的简化。将枯燥复杂的分光计调
节实验变得简单、有趣，创新分光计实验的可操作性。把光路不可见，实验过程不可精确控制的分光计变得可观，可控，使实验变得可操纵。能改善“目测粗调望远镜、平行光管水平轴与分光计中心轴大致水平，借助双面镜采用
‘
上下各半逐次逼近调节法’调至严格垂直”等繁琐复杂的调试步骤,有效避免实验开始前花费大量时间调试仪器的弊端.简化学生做实验的步骤,缩短做实验的时间,提高实验的成功率。将衍射、散射等实验现象直观的呈现在观察者面前,同时也更要方便衍射角的物理量的测量.使老师的理论教学改变为直观的物理现象,使物理量求解简单。半圆环槽型透明容器内注满的介质可选择气溶胶、茶水、干冰等或由氢氧化铝和甘油形成的胶体物质, 半圆环槽型透明容器外壳使用定做亚克力板或固体树脂，使得光束通过时可以产生明显的丁达尔现象，得到清晰的光通路。运用特定的光学器件产生光通路，为调试仪器和输出实验结果等方面都带来巨大便利。载物台上面设的光学器件成为本分光计中心。光学元件为光栅、透镜、光隔离器或分束器，光学器件还可以包括平面镜和三棱镜。还可以载物台上罩有遮光装置，遮光装置呈方形，遮光装置的前端为一活动挡板，活动挡板为遮光挡板，遮光装置的后端为透明挡板，遮光装置的上端面与下端面均为遮光挡板。望远镜底部使用延长横杆设置，拉远望远镜与载物台之间的距离，给光路显示容器给予更大尺寸设置的自由，大尺寸的容器使变化后光路的显示更加清晰精确。具有方便使用，又能浅析显示追踪光路，提高实验成功率的优点。
7.作为优化，半圆环槽型透明容器内的所述透光胶液为透光胶体溶液；半圆环槽型透明容器的外圆弧形侧壁所在圆与内圆弧形侧壁所在圆为同心圆，同心圆圆心所在垂线穿过载物台中心。载物台上面中心设置十字中心标示。
8.作为优化，盛有透光胶液的半圆环槽型透明容器上口活动设置有透明盖板，或者半圆环槽型透明容器上口密封固定设置有透明盖板。半圆环槽型透明容器为分别盛放不同透光胶液的可以任意替换的并列多个。
9.作为优化，基座主体是带底脚的底座上面设置基板，基板通过后端竖向支撑向上间隔设置圆台，所述半圆环槽型透明容器设置在基板上面，并且半圆环槽型透明容器后侧半圆凹壁基部贴合在圆台前半部外周；基板向前伸出的横杆端部向上设置前立柱，前立柱上端设置望远镜组件。
10.作为优化，基板上设置半圆环槽型透明容器的限位机构，所述半圆环槽型透明容器用于盛放不同透光胶液的，方便替换的并列多个。所述限位机构为基板上设置容纳半圆环槽型透明容器底部的半圆环凹槽，或者是基板上设置多个并列限位柱，两个后限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的两后伸部端壁，至少一个外限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的外圆弧壁。外限位柱上设置用于弹性抵住半圆环槽型透明容器外圆弧壁的弹簧支撑的手动压爪。
11.作为优化，基座主体是带底脚的底座上面设置基板，基板通过后端竖向支撑向上间隔设置圆台，所述半圆环槽型透明容器设置在圆台上面；基板上面通过附旋转阻尼器的回转支撑固连向前伸出的横杆，横杆端部向上设置前立柱，前立柱上端设置望远镜组件；回转支撑的轴心与半圆环槽型透明容器所在圆的圆心在同一条垂线上。可以使得通过望远镜组件的成像设备观察各种光线的偏转角度，即通过成像设备观察，改善人眼一直在黑暗情况盯着目镜观察的局面，改善使用者视觉疲劳。本发明的分光计可视化装置可以根据不同的成像设备进行调节，适用性广泛。望远镜组件包括望远镜和目镜，望远镜和目镜形成一条
直线光线通道。
12.作为优化，圆台上设置半圆环槽型透明容器的限位机构，基板上面设置以所述垂线为圆心的圆环形刻度盘，所述横杆在所述圆环形刻度盘处设置有用于向下观察圆环形刻度盘的竖向观察窗。所述限位机构为圆台上设置容纳半圆环槽型透明容器底部的半圆环凹槽，也可以是圆台上设置多个并列限位柱，两个后限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的两后伸部端壁，至少一个外限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的外圆弧壁。外限位柱上设置用于弹性抵住半圆环槽型透明容器外圆弧壁的弹簧支撑的手动压爪。
13.作为优化，竖向观察窗内设置与所述圆环形刻度盘的刻度线对应的径向指针，或者观察窗设置的透明玻璃上设有与所述圆环形刻度盘的刻度线配合的径向相对刻度线。
14.作为优化，所述分光计光源机构是后立柱上端通过可调固连件固装光源支座，光源支座上面设置led灯箱以及自led灯箱向前延伸设置的光路组件，所述光路组件包括平行光管及前端设置的通光狭缝。led灯箱为设置高强led灯管的高亮led灯箱。led灯箱与原有的高压汞灯相比，解决了原有高压汞灯在使用时会产生高温与臭氧、耗电量大、寿命短等缺点，让分光计实验更环保、更高效。采用高强度 led 灯作为光源，通过带有光阑的平行光管出射后到达光学器件，之后进入可显示光路的特定容器进入望远镜。在平行光管后增加光阑,提高光的聚集度,使输出光线直径变小,光线更加集中, 而获得强度大并且直径小的光束，为之后进入光学器件产生明显的光通路提供了良好的条件。
15.作为优化，圆形载物台所在圆的圆心与半圆环槽型透明容器的外圆弧形侧壁所在圆和内圆弧形侧壁所在圆为同心圆。通过可见的光路还可以观测出光经过相应光学器件而形成衍射、散射等现象之后光束变化的角度，可以直接利用该角度进行衍射角的计算等之类物理量的求解，此分光计给之后在有关分光计的实验中将提供便利。如果入射光为自然光，胶体分散系透明有颜色，则自然光中和胶体颜色互补的颜色被吸收,胶体本身的颜色被散射。如果入射光为自然光,胶体分散系为无色透明，则这时散射光为蓝紫色，透射光为黄色,具有互补性,例如硅酸溶胶的丁达尔效应实验的散射光和透射光就是这样。
16.本新型适用的丁达尔现象：在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于真溶液粒子半径一般不超过 1 nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间，其半径在1
‑
100 nm。小于可见光波长（400 nm～700 nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。此外，散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。
17.如果入射激光颜色和分散系颜色互补，白天则可能没有光亮通路，也可能没有透射光(亮斑)。例如:fe(oh)3(胶体)(蓝紫色激光)、硫酸铜(饱和)(红色激光)，但是如果分散质的浓度比较小，尽管入射光颜色和分散系颜色互补，这时也可能形成和入射光颜色一致的散射光和透射光(光斑)，红色激光笔照射稀的硫酸铜溶液的实验现象就是这样。
[0018] 如果入射激光照射到无色透明的胶体分散系上，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样，如果激光照射到有色胶体分散系上且胶体分散系颜色和激光颜色不互补，则散射光和透射光的颜色和激光颜色一样。
[0019]
当一束光通过介质时,在入射光方向以外的各个方向观察到光辐射的强度与入射光波长(a)以及微粒尺寸大小(d)有关，rayleigh 散射(d≤0.05a )研究表明单位体积内的散射光强度为
[0020][0021]
由公式可知,散射光强度 i与入射光波长的四次方成反比,波长愈短，散射愈强;散射光强度与粒子体积 v 的平方成正比,这说明粒子尺度对光散射的重要性; 散射光强度与单位体积内的粒子数 n 成正比,分散相粒子与分散介质的折射率 (n、n2)相差愈大,散射作用愈强。值得注意的是,如果胶体胶粒的浓度较大或胶体粒子在体系内排列较整齐时,每个粒子所产生的散射光相互 f 涉,可使散射光消失。
[0022]
以此可改变原分光计的以下复杂调节，目测粗调:为了提高分光计的调节速度,我们必须先从仪器的侧面,用眼睛仔细观察,进行初步调节：（1）调节望远镜倾斜度调节螺钉,使望远镜的光轴尽量与分光计中心垂直；（2）调节平行光管倾斜度调节螺钉,使平行光管的光轴尽量与分光计中心轴垂直；（3）调节载物平台倾斜度调节螺钉(三只),使载物平台的台面尽量与分光计中心轴垂直；（4）调目镜:用照明灯照亮望远镜视野,旋转目镜,调整目镜到分划板的距离,使我们能清晰的看到分划线；（5）找十字像:为使在目镜视场中找到十字像,把平面反射镜放在载物平台上.转动平台或者望远镜,使从望远镜射出的光在反射回望远镜内,在目镜视场中出现一个十字像；（6）找到十字像后,调节分划板到物镜的距离,使十字像最清晰,并与分划线间无视差；（7）调望远镜光轴与分光计中心轴相垂直:在得到最清晰的十字像后,用各半调节法将十字像移到与上水平分划线重合.然后,将载物台旋转 180 度,使平面镜的另一个反射面读准望远镜,观察十字像,若像的位置又偏离了上水平分划线,则仍采用“各半调节法”将其重新移到与上水平分划线重合.如此反复几次直到来回转动平台 180 度,十字像不再偏离上水平分划线为止。
[0023]
进行复杂的物理量的求解：（1）利用光栅衍射原理求解物理量：波在传播时，波阵面上的每个点都可以被认为是一个单独的次波源；这些次波源再发出球面次波，则以后某一时刻的波阵面，就是该时刻这些球面次波的包络面（惠更斯原理）。（2）一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，狭缝之间的间距为 d，称为光栅常数。当波长为λ的平面波垂直入射于光栅时，每条狭缝上的点都扮演了次波源的角色；从这些次波源发出的光线沿所有方向传播（即球面波）。由于狭缝为无限长，可以只考虑与狭缝垂直的平面上的情况，即把狭缝简化为该平面上的一排点。则在该平面上沿某一特定方向的光场是由从每条狭缝出射的光相干叠加而成的。在发生干涉时，由于从每条狭缝出射的光的在干涉点的相位都不同，它们之间会部分或全部抵消。然而，当从相邻两条狭缝出射的光线到达干涉点的光程差是光的波长的整数倍时，两束光线相位相同，就会发生干涉加强现象。以公式来描述，当衍射角θm 满足关系
[0024]
时发生干涉加强现象，这里 d 为狭缝间距，即光栅常数，m 是一个整数，取值为 0，
±
1，
±
2，
……
。这种干涉加强点称为衍射极大。因此，衍射光将在衍射角为θm 时取得极大，即：1）
[0025]
；2）前式即为光栅方程。当平面波以入射角θi 入射时，光栅方程写为：3）
[0026]
；4）装置最后通过装置的感光器，可以直接从电脑上得出对光线的角度，并且通过前边的聚光片可以使亮斑更小增加读数的精准度，简便了读数，和提高了读数的精度。相比于肉眼观察读数计算机读数更加准确。
[0027]
采用上述技术方案后，本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计具有方便使用，又能浅析显示追踪光路，提高实验成功率的优点。
附图说明
[0028]
图1
‑
2分别是本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计的实施例一的立体结构示意图和侧视结构示意图；图3是本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计实施例二的侧视结构示意图。
具体实施方式
[0029]
实施例一，如图1
‑
2所示，本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计是基座主体向后延伸部向上竖立的后立柱2上端通过可调固连件设置分光计光源机构，基座主体向前延长伸出的横杆30端部向上设置前立柱3，前立柱3上端通过可调固连件设置望远镜组件31，后立柱2中部通过可调固连件固装前伸的前伸托杆4，前伸托杆4前端设置位于基座主体上面中心上方用于设光学器件的圆形载物台40，也可以是基座主体上面中心设置用于设光学器件的圆形载物台，基座主体上面设置位于所述圆形载物台40前方的用于盛放透光胶液，凸部朝前的半圆环槽型透明容器5。优选：分光计光源机构射出的光束轴线与望远镜组件的观察轴线在同一平面内或者为同一水平轴线。因其光路可见，使我们可以很方便的将望远镜主光轴、平行光管水平轴与分光计中心轴调至水平，从而使该调节步骤得到极大的简化。将枯燥复杂的分光计调节实验变得简单、有趣，创新分光计实验的可操作性。把光路不可见，实验过程不可精确控制的分光计变得可观，可控，使实验变得可操纵。能改善“目测粗调望远镜、平行光管水平轴与分光计中心轴大致水平，借助双面镜采用
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上下各半逐次逼近调节法’调至严格垂直”等繁琐复杂的调试步骤,有效避免实验开始前花费大量时间调试仪器的弊端.简化学生做实验的步骤,缩短做实验的时间,提高实验的成功率。将衍射、散射等实验现象直观的呈现在观察者面前,同时也更要方便衍射角的物理量的测量.使老师的理论教学改变为直观的物理现象,使物理量求解简单。半圆环槽型透明容器内注满的介质可选择气溶胶、茶水、干冰等或由氢氧化铝和甘油形成的胶体物质, 半圆环槽型透明容器外壳使用定做亚克力板或固体树脂，使得光束通过时可以产生明显的丁达尔现象，得到清晰的光通路。运用特定的光学器件产生光通路，为调试仪器和输出实验结果等方面都带来巨大便利。载物台上面设的光学器件成为本分光计中心。光学元件为光栅、透镜、光隔离器或分束器，光学器件还可以包括平面镜和三棱镜。还可以载物台上罩有遮光装置，遮光装置呈方形，遮光装置的前端为一活动挡板，活动挡板为遮光挡板，遮光装置的后端为透明挡板，遮光装置的上端面与下端面均为遮光挡板。望远镜底部使用延长横杆设置，拉远望远镜与载物台之间的距离，给光路显示容器给予更大尺寸设置的自由，大尺寸的容器使变化后
光路的显示更加清晰精确。具有方便使用，又能浅析显示追踪光路，提高实验成功率的优点。
[0030]
半圆环槽型透明容器5内的所述透光胶液为透光胶体溶液；半圆环槽型透明容器5的外圆弧形侧壁所在圆与内圆弧形侧壁所在圆为同心圆，所述同心圆圆心所在垂线穿过圆形载物台40中心。圆形载物台上面中心设置十字中心标示。盛有透光胶液的半圆环槽型透明容器5上口活动设置有透明盖板，或者半圆环槽型透明容器5上口密封固定设置有透明盖板。半圆环槽型透明容器5为分别盛放不同透光胶液的可以任意替换的并列多个。
[0031]
基座主体是带底脚的底座1上面设置基板10，基板10通过后端竖向支撑向上间隔设置圆台11，所述半圆环槽型透明容器5设置在基板10上面，并且半圆环槽型透明容器5后侧半圆凹壁基部贴合在圆台11前半部外周；基板10向前伸出的横杆30端部向上设置前立柱3，前立柱3上端设置望远镜组件31。基板10上设置半圆环槽型透明容器5的限位机构，所述半圆环槽型透明容器5为用于盛放不同透光胶液的，方便替换的并列多个。所述限位机构为基板10上设置容纳半圆环槽型透明容器5底部的半圆环凹槽，也可以是基板上设置多个并列限位柱，两个后限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的两后伸部端壁，至少一个外限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的外圆弧壁。外限位柱上设置用于弹性抵住半圆环槽型透明容器外圆弧壁的弹簧支撑的手动压爪。
[0032]
所述分光计光源机构是后立柱2上端通过可调固连件固装光源支座，光源支座上面设置led灯箱21以及自led灯箱21向前延伸设置的光路组件，所述光路组件包括平行光管22及前端设置的通光狭缝23。led灯箱为设置高强led灯管的高亮led灯箱。led灯箱与原有的高压汞灯相比，解决了原有高压汞灯在使用时会产生高温与臭氧、耗电量大、寿命短等缺点，让分光计实验更环保、更高效。采用高强度 led 灯作为光源，通过带有光阑的平行光管出射后到达光学器件，之后进入可显示光路的特定容器进入望远镜。在平行光管后增加光阑,提高光的聚集度,使输出光线直径变小,光线更加集中, 而获得强度大并且直径小的光束，为之后进入光学器件产生明显的光通路提供了良好的条件。
[0033]
圆形载物台40所在圆的圆心与半圆环槽型透明容器5的外圆弧形侧壁所在圆和内圆弧形侧壁所在圆为同心圆。通过可见的光路还可以观测出光经过相应光学器件而形成衍射、散射等现象之后光束变化的角度，可以直接利用该角度进行衍射角的计算等之类物理量的求解，此分光计给之后在有关分光计的实验中将提供便利。如果入射光为自然光，胶体分散系透明有颜色，则自然光中和胶体颜色互补的颜色被吸收,胶体本身的颜色被散射。如果入射光为自然光,胶体分散系为无色透明，则这时散射光为蓝紫色，透射光为黄色,具有互补性,例如硅酸溶胶的丁达尔效应实验的散射光和透射光就是这样。
[0034]
实施例二，如图3所示，本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计与实施例一的区别在于：基座主体是带底脚的底座1上面设置基板10，基板10通过后端竖向支撑向上间隔设置圆台11，所述半圆环槽型透明容器5设置在圆台11上面；基板10上面通过附旋转阻尼器的回转支撑32固连向前伸出的横杆30，前横杆30端部向上设置前立柱3，前立柱3上端设置望远镜组件31；回转支撑32的轴心与半圆环槽型透明容器5所在圆的圆心在同一条垂线上。可以使得通过望远镜组件的成像设备观察各种光线的偏转角度，即通过成像设备观察，改善人眼一直在黑暗情况盯着目镜观察的局面，改善使用者视觉疲劳。本发明的分光计可视化装置可以根据不同的成像设备进行调节，适用性广泛。望远镜组件包括望远镜和目
镜，望远镜和目镜形成一条直线光线通道。
[0035]
圆台11上设置半圆环槽型透明容器5的限位机构，基板10上面设置以所述垂线为圆心的圆环形刻度盘12，所述横杆在所述圆环形刻度盘12处设置有用于向下观察圆环形刻度盘12的竖向观察窗。竖向观察窗内设置与所述圆环形刻度盘的刻度线对应的径向指针，或者观察窗设置的透明玻璃上设有与所述圆环形刻度盘的刻度线配合的径向相对刻度线。所述限位机构是圆台11上设置多个并列限位柱13，两个后限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的两后伸部端壁，至少一个外限位柱用于抵住半圆环槽型透明容器的外圆弧壁。外限位柱上优选设置用于弹性抵住半圆环槽型透明容器外圆弧壁的弹簧支撑的手动压爪。也可以是所述限位机构为基板上设置容纳半圆环槽型透明容器5底部的半圆环凹槽。
[0036]
采用上述技术方案后，本实用新型基于丁达尔效应的光路可追踪分光计具有方便使用，又能浅析显示追踪光路，提高实验成功率的优点。