一种光吸收和光偏振实验装置的制作方法

1.本实用新型属于实验器材技术领域，尤其是光学实验器材，涉及一种基于智能手机的光吸收和光偏振实验演示装置，具体是结合两台智能手机验证光吸收实验中的比尔-朗伯定律及光偏振实验中的马吕斯定律。


背景技术：

2.光吸收和光偏振属于典型的光传输研究范畴，有助于认识光的本质以及光与其他物质相互作用的原理，是光学教程中的重要内容。但是目前市场上包括教学仪器商店内除了偏振片以外并没有现成的能够演示光吸收和光偏振的实验仪器。大学和中学物理课堂缺乏适合课堂教学和学生动手操作的用于验证比尔-朗伯定律和马吕斯定律的装置(特别是比尔-朗伯定律)。并且目前已有的实验装置更多的是定性地反映现象，难以满足个性化的定量研究需求。
3.该实验有两个关键环节：1.在验证比尔-朗伯定律中需不断改变光在溶液中经过的距离，一般操作方法是使用量筒反复增加或减少溶液体积，再计算光通过的距离。这种调节方式操作非常复杂，且需要进行反复调整，存在一定难度，最重要的是实验误差较大。2.光吸收和光偏振实验都涉及对光强度进行测量。一般测量方法是使用光强传感器，但是该方法要求环境干扰小，对操作者技术能力要求较高，且成本难控制。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种光吸收和光偏振实验演示装置。
5.本实用新型包括光通距离调节装置和调整测定装置。
6.所述的光通距离调节装置包括支架、主镜筒、副镜筒、储水箱。
7.所述的支架上水平安装有镜筒座，主镜筒穿过镜筒座水平设置；所述的主镜筒为两端开放的圆筒，内壁攻有内螺纹；主镜筒的一端通过主镜筒玻璃片密封，主镜筒侧壁靠近主镜筒玻璃片的位置开有液体进出孔。
8.所述的副镜筒为两端开放的圆筒，一端通过副镜筒玻璃片密封，另一端为观察用通光孔；副镜筒靠近副镜筒玻璃片的外壁设有外螺纹，副镜筒与主镜筒螺纹连接。
9.所述的储水箱顶部开有注液口，底部开有通液口，通液口与主镜筒的液体进出孔连通。
10.所述的调整测定装置包括手机支架、调节杆和偏振器组件；支架为槽形结构，底部设置有插接部；调节杆水平设置，一端与支架活动连接，另一端悬空；调节杆开有多个插接孔，支架的插接部插入插接孔。
11.所述的偏振器组件包括起偏器和检偏器，检偏器固定在主镜筒的一端，位于主镜筒玻璃片外侧，起偏器与检偏器能够相对旋转；起偏器带有刻度，显示起偏器与检偏器透振方向的夹角。
12.本实用新型作为验证光吸收实验中比尔-朗伯定律的装置，既可快速调节光在溶液中经过的距离，又可配合智能手机进行光强度测量，简化测量操作，节省测量时间，提高测量精度。同时，本实用新型作为验证光偏振实验中马吕斯定律的装置，同样可以配合智能手机进行光强度测量。利用封闭管道空间以减小环境干扰，使之满足实验要求。本实用新型能够快速调节光在溶液中通过距离，进行精确测量，简化测量操作，节省测量时间，提高测量精度，易于推广应用。
附图说明
13.图1为本实用新型的整体结构示意图；
14.图2为图1中偏振器组件结构示意图。
具体实施方式
15.以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
16.如图1所示，一种光吸收和光偏振实验装置，包括光通距离调节装置和调整测定装置。
17.光通距离调节装置包括支架1、主镜筒2、副镜筒3、储水箱4。
18.支架1上水平安装有镜筒座5，主镜筒2穿过镜筒座5水平设置。主镜筒2为两端开放的圆筒，内壁攻有内螺纹。主镜筒2的一端通过主镜筒玻璃片6密封，主镜筒2侧壁靠近主镜筒玻璃片6的位置开有液体进出孔7。
19.副镜筒3为两端开放的圆筒，一端通过副镜筒玻璃片8密封，另一端为观察用通光孔 9。副镜筒3靠近副镜筒玻璃片8的外壁设有外螺纹，副镜筒3与主镜筒2螺纹连接。
20.储水箱4顶部开有注液口41，底部开有通液口42，通液口42与主镜筒的液体进出孔7 连通。
21.调整测定装置包括手机支架10、调节杆11和偏振器组件12。支架10为槽形结构，底部设置有插接部101。调节杆11水平设置，一端与支架1活动连接，另一端悬空。调节杆 11开有多个插接孔111，手机支架10的插接部101插入插接孔111。通过插入不同插孔，调整手机支架10与主镜筒的距离。
22.如图2所示，偏振器组件12包括起偏器121和检偏器122，检偏器122固定在主镜筒的一端，位于主镜筒玻璃片6外侧，起偏器121与检偏器122能够相对旋转。起偏器带有刻度，显示起偏器与检偏器透振方向的夹角。
23.实验时将智能手机摄像头对准通光孔，可拍摄实验影像。副镜筒3顺时针旋转，副镜筒玻璃片8向主镜筒玻璃片6靠近，可减少主镜筒内溶液体积(即主镜筒玻璃片6与副镜筒玻璃片8之间的空间)，减少了光在溶液中通过的距离，逆时针旋转则增大了光在溶液中通过的距离。本实施例中，主镜筒内螺纹总高为150mm，螺距为3mm，圈数为50圈。副镜筒外螺纹总高为15mm，螺距为3mm，圈数为5圈。因此副镜筒每顺/逆时针旋转一周，可使得旋转镜筒前进/后退3mm。因此，光通距离调节装置不但能方便地改变光在溶液中经过地距离，还能帮助使用者实现精确操作。
24.实验中，通过注液口41向储水箱4注入一定体积的色素溶液，通过通液口42和液体进出孔7流入主镜筒内。当副镜筒顺时针旋转(减小主镜筒内溶液体积)时，主镜筒内多余的
溶液进入储水箱4中。同理，当副镜筒逆时针旋转(增大主镜筒内体积)时，储水箱释放溶液进入主镜筒。这样便实现了光在溶液中通过距离的快速调节。
25.实施例1，作为光吸收实验演示仪：
26.初始强度为i0的平行光束进入均匀介质一段距离x后强度减弱为i。朗伯指出：光在相同介质中通过相同距离后，光能量中有同样百分比的能量被吸收。di＝-μ
·i·
dx，μ表示吸收系数。
27.对上式积分后的朗伯定律数学表达式为i＝i0e-μx
。比尔又指出，当溶液为稀溶液时，吸收系数正比于溶液浓度，由朗伯定律得到i＝i0e-acx
，称之为比尔-朗伯定律。
28.拆去主镜筒前的偏振器组件。在手机支架10上放置智能手机a，该智能手机屏幕调为绿色，在观察用通光孔9后放置智能手机b，智能手机b摄像头对观察用通光孔9。将副镜筒3顺时针转到底(此时光通过的溶液长度最短)，向储水箱4注入一定量的色素溶液 (如红色溶液)，根据实验要求逆时针旋转副镜筒3，使光在溶液中通过的距离增加，旋转一圈对应着距离增加3mm。在每次旋转后使用智能手机b拍摄实验图像。若要在光通过溶液的距离不变的情况下探究溶液浓度对光强度的影响，则在注水口注入不同浓度的色素溶液，手机相机记录实验图像。
29.使用智能手机拍摄实验图像的原因在于光强度的变化直接体现在由探测器(手机摄像头)所捕获的目标(手机屏幕所显示的图像)颜色及亮暗变化，其本质在于图像中红、绿、蓝(r、g、b)三通道内的数值不同。可使用数字影像处理软件(如本团队自主开发设计的软件“brightnesstranslator”)提取目标物rgb数值，最后将rgb值以特定公式转化为光强度，从而实现颜色与光强的代换。该技术的原理在于以rgb格式作为色域的图像编码方式，通过三个变量(红色、绿色、蓝色)表达图像信息。三个分量的数值代表每个通道的亮度，从0-255分为256个等级，数值(色阶)越大，亮度越高。当然这种彩色信息与实际光功率并非呈线性关系，而是幂函数关系，这个函数的指数称为伽马值，计算时需要进行伽马矫正，目前大多数智能手机荧幕(如srgb色域的屏幕)取伽马值为2.2。伽马矫正的目的是对影像中的光线灰度值或三色刺激值进行非线性运算或反运算以对视觉特性进行补偿。原因是像素的光亮强度跟输入的电压强度并不是线性关系或由设备本身非线性的感光曲线引起。rgb明度l与灰度gray计算公式如下：
[0030][0031]
改变距离x，色素溶液浓度(1％)和其他条件保持不变。由实验数据处理得透光率t对距离x的拟合函数为：t＝1.083e-0.4034x
，吸收系数μ即为0.4034。与由朗伯定律变形得到的透光率对距离的标准形式t＝e-μx
相比，实验结果与理论值相近，实验误差较小。
[0032][0033]
使光在主镜筒中经过的距离为4.7cm，并且保持不变。在清水中滴加色素，配置成0％-1％浓度的色素溶液。由实验数据处理得透光率t对浓度c的拟合函数为：t＝1.007e-1.44c
，由比尔定律变形得到的透光率对浓度的标准形式为t＝e-acx
，因此本实验误差较小，并且表征吸收物质分子特性的a值为0.3064。
[0034][0035]
实施例2，作为偏振光实验演示仪：
[0036]
波的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振。光和物质在相互作用过程中起主要作用的是光波中的电矢量e。偏振片能吸收一个方向上的电矢量，而让垂直该方向的电矢量几乎完全通过。
[0037]
起偏器偏振片产生线偏振光，检偏器用于检验线偏振光，起偏器与检偏器透振方向的夹角θ。透过检偏器的光强i2与透过起偏器的光强i1随θ角变化的规律由马吕斯定律给出： i2＝i1cos2θ
[0038]
通过不断旋转起偏器，改变起偏器与检偏器透振方向的夹角，在通光孔处使用智
能手机b拍摄实验图像。利用光吸收实验中相同的方法测定光强度变化，进而验证马吕斯定律。θ为0
°
时获得的明度值记为l0，该仪器取得的部分实验结果如下：
[0039][0040][0041]
因为并且由实验数据得l/l0＝cos2θ，所以验证了马吕斯定律i＝i0cos2θ。
[0042]
由以上实施例可以看出，本实用新型能够快速调节光在溶液中经过的距离，简化测量操作，节省测量时间。本装置可同时用于验证光吸收实验中的比尔-朗伯定律和光偏振实验中的马吕斯定律，取得了很好的实验效果。