一种虹与霓再现的物理实验装置及方法与流程

1.本发明涉及物理实验技术领域，具体是涉及一种虹与霓再现的物理实验装置及方法。


背景技术：

2.虹、霓是由于太阳光线被大气中的雨滴反射和折射而形成的一种美丽的自然现象。内弧外红内紫，色彩明亮，此为主虹；外弧外紫内红，色彩顺序正好相反，色彩较弱，这是副虹，也称为霓。
3.目前，关于虹与霓的发生实验装置在教学中并没有实际的应用，这对于在物理教学中理论与实际的相结合难以得到较好的诠释，同时也难以起到较好的教学辅助作用，在这方面学习的记忆较浅。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种虹与霓再现的物理实验装置，包括悬挂架，悬挂架通过连接件连接有玻璃球，还包括传动组件，所述传动组件与所述悬挂架垂直设置，且位于悬挂架一侧；所述传动组件上通过光源固定支架连接有光源支撑架，光源支撑架的顶端连接有光源；还包括有光源移动控制系统，所述光源移动控制系统与所述传动组件电连接；所述悬挂架以及传动组件均位于水平成像板上；还包括用于对光源进行遮挡的遮光板。
5.作为本发明的再进一步技术方案是：所述悬挂架包括呈工字型的底座，底座上对称安装有两根竖直杆，两根所述竖直杆的顶端共同固定连接有水平杆，所述连接件与所述水平杆中间处固定连接。
6.作为本发明的再进一步技术方案是：所述玻璃球表面通过紫外线胶粘合有连接块，连接块上开设有通孔，所述连接件通过通孔与所述连接块相连。
7.作为本发明的再进一步技术方案是：所述传动组件包括长方体底座，长方体底座上开设有凹槽，凹槽两端转动连接有螺纹杆，所述螺纹杆一端连接有步进电机，所述步进电机与所述光源移动控制系统电连接；所述螺纹杆上螺纹连接有螺纹滑块，所述螺纹滑块上固定连接有光源固定支架。
8.作为本发明的再进一步技术方案是：所述光源固定支架包括水平板，水平板通过螺栓与所述螺纹滑块相连接；所述水平板上固定连接有竖直板，竖直板由下至上分别连接有第一连接板与第二连接板，所述第一连接板上固定连接有第一半圆环，第一半圆环通过螺栓连接有第二半圆环；所述第二连接板上开设有限位通孔。
9.作为本发明的再进一步技术方案是：所述第一半圆环、第二半圆环的内径与所述限位通孔的内径均相等。
10.作为本发明的再进一步技术方案是：所述第一半圆环、第二半圆环以及限位通孔的内径均等于光源支撑架的直径。
11.作为本发明的再进一步技术方案是：所述连接件包括一对悬钩，所述悬钩分别从通孔的两侧穿入。
12.作为本发明的再进一步技术方案是：所述光源选用白光led。
13.一种虹与霓再现的物理实验方法，包含如上述所述的虹与霓再现的物理实验装置，包括以下步骤：
14.将玻璃球悬挂到连接件上；
15.调整光源，使光源中心对准玻璃球的中心位置，利用传动组件将光源移动至设定位置处；
16.打开光源，在水平成像板上观察虹与霓的光学现象；
17.通过操作光源移动控制系统来使光源逐渐远离玻璃球，可以观察虹与霓的位置改变；
18.利用遮光板遮挡光源的下半部分来观察虹的光学现象；利用遮光板遮挡光源的上半部分来观察霓的光学现象；
19.实验结束后，关闭光源，取下玻璃球，将玻璃球放置到玻璃球放置座上，并整理实验器材。
20.本发明的有益效果是：
21.(1)在实验室内成功在正常光线下实现了虹与霓的再现，装置简单紧凑，现象明显完整；
22.(2)使用步进电机控制光源移动，提高了稳定性和精确性；
23.(3)针对不同距离的光源产生的现象进行了定性分析，合理解释实际现象；
24.(4)装置结构简单，体积小，在实验桌便可看到实验效果，能够作为大学物理的实验内容；
25.(5)本装置能良好模拟出虹与霓的现象，便于大家认识虹与霓的自然现象，便于进行虹与霓实验演示，也可以通过仿真进一步测量相关数据，在教学中能起到较好的辅助作用；
26.(6)该装置成本低、效果好，经过产品测试即可推广。
27.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
28.图1为本发明虹与霓再现的物理实验装置虹的光路图；
29.图2为本发明虹与霓再现的物理实验装置霓的光路图；
30.图3为本发明虹与霓再现的物理实验装置的立体结构示意图；
31.图4为本发明虹与霓再现的物理实验装置中光源移动控制系统的系统框图；
32.图5为本发明虹与霓再现的物理实验装置工作时的流程图；
33.图6为本发明虹与霓再现的物理实验装置中传动组件的结构示意图；
34.图7为本发明虹与霓再现的物理实验装置中光源固定支架的结构示意图；
35.图8为本发明虹与霓再现的物理实验装置中连接件与玻璃球的连接结构示意图；
36.图9为本发明虹与霓再现的物理实验方法的工作流程图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
39.如图1～图3所示，为本发明的一个实施例提供的一种虹与霓再现的物理实验装置，包括悬挂架2，悬挂架2通过连接件3连接有玻璃球4，还包括传动组件5，所述传动组件5与所述悬挂架2垂直设置，且位于悬挂架2一侧；所述传动组件5上通过光源固定支架7连接有光源支撑架8，光源支撑架8的顶端连接有光源9；还包括有光源移动控制系统，所述光源移动控制系统与所述传动组件5电连接；所述悬挂架2以及传动组件5均位于水平成像板1上；还包括用于对光源9进行遮挡的遮光板6。
40.在本发明中其实验原理作出如下介绍：
41.对水珠的截面圆，在受到阳光照射的半圆周上的每一点，设光线的入射角为α，折射角为β，进入水球的光线经反射后(入射角和反射角均为β)，再一次折射(此次入射角为β，折射角为α)进入空气中。在此条件下观察到的即为虹，其形成原理见虹光路图，如图1所示，由几何关系可以计算出光线经过两次折射和一次反射以后，其偏向角为：
42.180
°
2α-4β
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(式1)
43.与水平方向所成的锐角(即观察者沿着阳光的方向观察上述光线的视角)为：
44.180
°‑
(180
°
2α-4β)＝4β-2α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式2)
45.霓的形成原理见霓的光路图，如图2所示，霓是光线经过折射、两次反射、再折射离开水球后形成的。由几何关系，同样可得出其光线偏向角为：
46.360
°
2α-6β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
47.与水平方向所成锐角为：
48.(360
°
2α-6β)-180
°
＝180
°
2α-6β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式4)
49.由于太阳和地球的距离非常大，将太阳光近似为平行光源，由于大气压等一系列影响因素，使得悬浮在空气中的小水珠近似为球形。本实验利用光源使其发出平行光进行模拟太阳光、利用圆形透明的玻璃球模拟雨后悬浮的水珠，设计并实现了虹与霓的再现。
50.针对光源，做了以下研究：
51.1、白炽灯，其实际发黄，影响实验效果；
52.2、卤素灯与氙灯的光谱与自然光较为接近，但其发光时功率大产生高温，安全性不足；
53.3、led灯，光谱峰值主要为红、绿、蓝，虽非太阳光的全色光谱，但使用安全，且实际效果好。
54.最终选择了效果最为理想的白光led，其波长范围为：450-760nm。
55.在本实施例中，首先将玻璃球4悬挂在悬挂架2下方，并调整光源9，使光源9中心对准玻璃球4的中心位置，通过传动组件5将光源9移动至设定位置；
56.再打开光源9，通过水平成像板1可以观察到虹与霓的光学现象，观察到虹比霓的色彩更加鲜艳，相对于玻璃球4而言，虹在前，霓在后；若将实验室的照明灯与窗帘关闭，可以观察到更加明显的虹与霓的光学现象。
57.利用光源移动系统来操作光源9的水平位置，使光源9逐渐远离玻璃球4，可以观察到虹与霓的位置发生改变，相对于玻璃球4而言，逐步变为霓在前，虹在后；
58.随后利用遮光板6来遮挡光源9的下半部分，可以观察到只有上半部分的光入射时，只可观察到虹的光学现象；当遮挡光源9的上半部分时，光只从下半部分入射时，只可观察到霓的光学现象。
59.在本实施例中：
60.(1)在实验室中，用水平成像板1能直接观察到清晰的虹与霓的光学现象；
61.(2)创新性地设计了虹与霓的再现装置，即将玻璃球4悬挂，能够观察到完整的圆弧形的虹和霓的光学现象；该装置结构简单，操作方便，现象明显。
62.(3)利用光源移动控制系统，可观察虹和霓的变化，有利于深入理解光学理论，丰富实验内容。
63.请参阅图4和图5，在本实施例中，光源移动控制系统包括电机驱动器、单片机、前进控制按键、后退控制按键和停止控制按键，所述单片机采用stm32f103zet6单片机，电机驱动器采用drv8825驱动器，单片机用于控制电机驱动器进行工作，而各种按键用于实现传动组件执行不同的动作。
64.在本实施例中，上述控制的电路图均采用的是现有技术，单片机对步进电机54进行控制工作，在现有技术中比较常见，此处便不再公开其具体的电路连接图。
65.请参阅图3，所述悬挂架2包括呈工字型的底座21，底座21上对称安装有两根竖直杆22，两根所述竖直杆22的顶端共同固定连接有水平杆23，所述连接件3与所述水平杆23中间处固定连接。
66.为了防止玻璃球4有投影，在本实施例中设置有悬挂架2，将玻璃球4悬挂起来，可以更好地进行实验，以便在玻璃球4和光源9之间的桌面上显现清晰的完整圆弧的虹和霓。
67.请参阅图3和图8，所述玻璃球4表面通过紫外线胶粘合有连接块10，连接块10上开设有通孔11，所述连接件3通过通孔11与所述连接块10相连，所述连接件3包括一对悬钩31，所述悬钩31分别从通孔11的两侧穿入。
68.在本实施例中，悬钩31穿过通孔11，从而可以将玻璃球4悬挂起来；而悬挂本身可以具有一定的形变能力，方便将玻璃球4取下，防止因玻璃球4的长时间悬挂导致玻璃球4的脱落；此外，玻璃球4放置到放置座上。
69.请参阅图3和图6，所述传动组件5包括长方体底座51，长方体底座51上开设有凹槽52，凹槽52两端转动连接有螺纹杆53，所述螺纹杆53一端连接有步进电机54，所述步进电机54与所述光源移动控制系统电连接；所述螺纹杆53上螺纹连接有螺纹滑块55，所述螺纹滑块55上固定连接有光源固定支架7。
70.在本实施例中，传动组件5在工作时，启动步进电机54，步进电机54的输出轴带动螺纹杆53转动，与螺纹杆53相配合的螺纹滑块55移动，从而可以带动光源9实现移动。通过步进电机54来控制光源9的移动，可以提高稳定性和准确性。
71.所述传动组件5均固定设置在亚克力板上，亚克力板放置在所述水平成像板1上。
72.请参阅图3和图7，所述光源固定支架7包括水平板71，水平板71通过螺栓与所述螺纹滑块55相连接；所述水平板71上固定连接有竖直板72，竖直板72由下至上分别连接有第一连接板73与第二连接板74，所述第一连接板73上固定连接有第一半圆环75，第一半圆环
75通过螺栓连接有第二半圆环76；所述第二连接板74上开设有限位通孔。
73.在本实施例中，将光源支撑架8穿过限位通孔且向下延伸，再将第二半圆环76通过螺栓实现与第一半圆环75的连接，这样便可以对光源支撑架8进行限位锁紧，使光源支撑架8的竖直高度不会发生改变。光源固定支架8的水平板71也是通过螺栓与螺纹滑块55相连接，可以方便进行拆卸安装，本光源固定支架8可以保证光源9随螺纹滑块55的移动，消除光源9移动时产生的晃动影响成像质量。
74.请参阅图7，在本实施例中，所述第一半圆环75、第二半圆环76的内径与所述限位通孔的内径均相等，所述第一半圆环75、第二半圆环76以及限位通孔的内径均等于光源支撑架8的直径，直径均相等，可以实现更好的配合，防止发生晃动而影响成像质量。
75.请参阅图9，在本实施例中：一种虹与霓再现的物理实验方法，包含如上述所述的虹与霓再现的物理实验装置，包括以下步骤：
76.s100,将玻璃球4悬挂到连接件3上；
77.s200,调整光源9，使光源9中心对准玻璃球4的中心位置，利用传动组件5将光源9移动至设定位置处；
78.s300,打开光源9，在水平成像板1上观察虹与霓的光学现象，可以观察到虹比霓的色彩更鲜艳，相对于玻璃球4而言，虹在前，霓在后；若将实验室的照明灯与窗帘关闭，可以观察到更加明显的虹与霓的光学现象；
79.s400,通过操作光源移动控制系统来使光源9逐渐远离玻璃球4，可以观察虹与霓的位置改变，相对于玻璃球4而言，逐步变为霓在前，虹在后；
80.s500,利用遮光板6遮挡光源9的下半部分来观察虹的光学现象，可以观察到只有上半部分的光入射时，只可观察到虹的光学现象；利用遮光板6遮挡光源9的上半部分来观察霓的光学现象，只可观察到霓的光学现象；
81.s600,实验结束后，关闭光源9，取下玻璃球4，将玻璃球4放置到玻璃球放置座上，并整理实验器材。
82.在本实施例中：
83.(1)在实验室内成功在正常光线下实现了虹与霓的再现，装置简单紧凑，现象明显完整；
84.(2)使用步进电机54控制光源移动，提高了稳定性和精确性；
85.(3)针对不同距离的光源9产生的现象进行了定性分析，合理解释实际现象；
86.(4)装置结构简单，体积小，在实验桌便可看到实验效果，能够作为大学物理的实验内容；
87.(5)本装置能良好模拟出虹与霓的现象，便于大家认识虹与霓的自然现象，便于进行虹与霓实验演示，也可以通过仿真进一步测量相关数据，在教学中能起到较好的辅助作用；
88.(6)该装置成本低、效果好，经过产品测试即可推广。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。