物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張廣興

（北京衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院，北京 100053）

1 原實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在的一些問(wèn)題

透鏡焦距的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是物理課中光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)必不可少的實(shí)驗(yàn)，在全院所有專業(yè)的公共基礎(chǔ)課程中均有涉及，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)透鏡焦距的測(cè)定理解眼睛成像和調(diào)節(jié)的原理。

在傳統(tǒng)透鏡焦距測(cè)定的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)器材包括光具座、透鏡、蠟燭、像屏，其中點(diǎn)燃的蠟燭火焰是實(shí)驗(yàn)中的物像參照。然而，蠟燭的使用存在明顯的缺陷和隱患。首先，蠟燭的火焰作為物像參照無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法確認(rèn)其正立或倒立的圖像，且無(wú)法判斷其聚焦中心；其次，點(diǎn)燃的蠟燭直接威脅學(xué)生的人身安全和學(xué)校公共財(cái)產(chǎn)的安全；最后，蠟燭的消耗和采購(gòu)存在不可重復(fù)利用和浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)。目前，部分高等院校采用白熾燈作為物像參照，改善傳統(tǒng)的蠟燭在實(shí)驗(yàn)中的作用。然而，白熾燈的燈絲耗電量及產(chǎn)熱量較大，無(wú)法區(qū)分正立或倒立的物像，并且無(wú)法區(qū)分最佳聚焦點(diǎn)。

2 新設(shè)備設(shè)計(jì)思路

2.1 光源系統(tǒng)圖形的設(shè)計(jì)

理論上光源可以是任意形狀，傳統(tǒng)光源的蠟燭和白熾燈泡的形狀都可以，但是在實(shí)驗(yàn)中，像屏上呈現(xiàn)的是一個(gè)倒立的實(shí)像。為了讓學(xué)生更容易區(qū)分像屏上的像是否為倒立，設(shè)計(jì)一個(gè)由多個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的高2.8 cm、寬2.0 cm的旗形圖案，光源的圖形如圖1所示。

圖1 二極管構(gòu)成的高2.8 cm、寬2.0 cm的旗形圖案

2.2 光源系統(tǒng)尺寸的設(shè)計(jì)

焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備由標(biāo)尺、透鏡架、透鏡、成像屏架、像屏、光源座、光源構(gòu)成。原實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的光源為蠟燭，和光源座是匹配的，新設(shè)計(jì)的光源系統(tǒng)要匹配原實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求。在設(shè)備中像屏座配備了多個(gè)，電路板的厚度和像屏的厚度基本一致，所以設(shè)計(jì)電路板的底座用多余出來(lái)的像屏座；設(shè)計(jì)的電路板的尺寸和像屏寬度相同，可以完好地插到像屏座中。根據(jù)原光源蠟燭的高度設(shè)計(jì)電路板的高度。最終設(shè)計(jì)為寬8.0 cm、高8.5 cm的長(zhǎng)方形電路板，見(jiàn)圖2。

圖2 最終設(shè)計(jì)的電路板

2.3 元件的選擇

光源系統(tǒng)元件主要包括發(fā)光二極管、電池盒、開(kāi)關(guān)3個(gè)部分。根據(jù)圖形設(shè)計(jì)，在滿足小旗形狀明顯突出的前提下，在保證小旗尺寸設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，選擇3 mm發(fā)光二極管、兩節(jié)7號(hào)電池和帶自鎖功能的按鈕開(kāi)關(guān)。電池盒的選擇：發(fā)光二極管的穩(wěn)定工作電壓為3 V，用兩節(jié)1.5 V的電池串聯(lián)最為合適。綜合電路板的尺寸、新光源系統(tǒng)的重量以及工作時(shí)間，最終選擇了兩節(jié)7號(hào)電池插針式電池盒。普通7號(hào)電池的容量為600 mA，發(fā)光二極管的工作電流25 mA，在圖像設(shè)計(jì)中使用了13個(gè)發(fā)光二極管組合成小旗圖案，實(shí)際光源運(yùn)行電流為325 mA，所以兩節(jié)普通7號(hào)電池可以滿足光源連續(xù)工作大約兩個(gè)小時(shí)，完全可以滿足光源系統(tǒng)一學(xué)期的使用。

在新的光源系統(tǒng)使用電池供電，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果、增加光源亮度、節(jié)約電能和使用方便，最終選擇超亮白發(fā)藍(lán)發(fā)光二極管。該二極管具有亮度高、耗能低、冷光源等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

為了節(jié)約電能和使用方便，在電路中設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)分為船型開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、波段開(kāi)關(guān)等，種類繁多。考慮到電路板的尺寸和使用方便性，選擇體積較小、帶自鎖功能的按鈕開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)具有體積小、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

3 新設(shè)備的制作

3.1 電路板的繪制

在選擇好各元件之后，首先制作各元件的封裝庫(kù)。用卡尺量好元件的尺寸、管腳距離及外觀尺寸等參數(shù)，在Protel軟件中制作各元件的封裝。在制作好所需元件的封裝之后，首先根據(jù)電路板的尺寸設(shè)計(jì)，畫電路板的切割層、keepout層，規(guī)定好電路板的長(zhǎng)寬。然后在規(guī)定好的電路板尺寸內(nèi)、在滿足美觀實(shí)用等要求的基礎(chǔ)上擺放元件。將多個(gè)發(fā)光二極管擺放成設(shè)計(jì)好的小旗形狀，位于光源系統(tǒng)上側(cè)的中間位置，在小旗正下方設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)位置。為了保持美觀，將兩節(jié)7號(hào)電池盒設(shè)計(jì)在電路板背面，保證了電路板的美觀。在擺放好各元件位置之后，使用Protel軟件的連線工具完成對(duì)各元件之間的電路連接。最終完成電路板PCB圖的繪制，見(jiàn)圖3。

圖3 使用Protel軟件完成電路板的繪制

3.2 光源系統(tǒng)焊接組裝

在電子城完成電路板制作和元件采買。由于在電路板上已經(jīng)將電路繪制好，所以只需要將元件安放在電路板上即可完成光源系統(tǒng)的焊接組裝。

3.3 焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體調(diào)試

在元件焊接完成后，檢測(cè)焊點(diǎn)的質(zhì)量，檢查各元件安放的位置是否正確牢固，在外觀檢測(cè)完成之后進(jìn)行通電測(cè)試。在電池盒中安裝好兩節(jié)7號(hào)電池，按下按鈕開(kāi)關(guān)，檢測(cè)各發(fā)光二極管是否全部發(fā)光，檢查小旗形狀是否美觀。多次按下按鈕開(kāi)關(guān)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)是否好用。

在所有檢測(cè)完成之后，進(jìn)行光源系統(tǒng)的整體調(diào)試。將新光源安裝到焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。在焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，像屏可以接收到明亮清晰的像，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求，達(dá)到了開(kāi)發(fā)目的。

圖4 新光源焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

4 新設(shè)備實(shí)驗(yàn)效果

安裝好新光源系統(tǒng)和原光源系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)行焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 新光源焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)與原光源焦距測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)比

由圖5可以看到，由發(fā)光二極管作為光源的實(shí)驗(yàn)效果明顯好于蠟燭光源，光源亮度高于蠟燭，在像屏中的像更加清晰，更容易找到清晰的實(shí)像點(diǎn)。小旗的設(shè)計(jì)可以很容易區(qū)分像的正立還是倒立，消除了明火的安全隱患和蠟燭燃燒的異味。由于設(shè)置了按鈕開(kāi)關(guān)，計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)可以關(guān)閉電源，節(jié)約了能源，避免了反復(fù)點(diǎn)蠟燭的煩瑣過(guò)程。新光源系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加安全、高效、準(zhǔn)確，滿足了設(shè)計(jì)目的。

通過(guò)電路板的制作，新光源系統(tǒng)的批量生產(chǎn)變得非常簡(jiǎn)單，成本很低，而且新光源系統(tǒng)可以匹配原焦距測(cè)試系統(tǒng)，推廣價(jià)值很高。目前我校焦距測(cè)試系統(tǒng)已全部裝備，代替了原光源系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)效果與實(shí)驗(yàn)安全性都有很大提高。