磁吸式駁接精準(zhǔn)光學(xué)實驗套件設(shè)計

◎湖南第一師范學(xué)院第一附屬小學(xué) 王志毅

光學(xué)實驗是科學(xué)探究的重要實驗。我研制了一款適合小學(xué)科學(xué)教學(xué)的光學(xué)教具——磁吸式駁接精準(zhǔn)光學(xué)實驗套件，它組接方便，適用于多種光學(xué)實驗，有助于學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。

一、設(shè)計思路

1.傳統(tǒng)光學(xué)教具主體材質(zhì)為金屬，尺寸較大，價格昂貴，不便于保養(yǎng)，軌道易生銹。我想更換材質(zhì)、縮小尺寸，嘗試通過折疊、伸縮或拼接等方式縮小軌道所占空間。

2.光學(xué)探索器材套件的配件繁雜，不便于使用和收納。我想精簡組件，統(tǒng)一組件拼接口，實現(xiàn)多種功能。

3.主題式光學(xué)實驗器材功能單一，且沒有軌道，無法獲取精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)。我想增加帶有精準(zhǔn)刻度的軌道，并將小學(xué)光學(xué)實驗器材進(jìn)行整合。

二、設(shè)計制作

磁吸式駁接精準(zhǔn)光學(xué)實驗套件的組件包括3片菲涅爾透鏡（相當(dāng)于凸透鏡）、7根組合導(dǎo)軌、2個導(dǎo)軌支架、4個十字滑塊、6個十字立柱、4個磁吸滑塊、6個磁吸立柱、5個薄板夾、1個充電電源、2塊孔板、2塊投影板、1個強光燈、1個多功能燈具、3塊濾光片、1塊透光板和1塊可調(diào)小孔板。

我先繪制組件設(shè)計草圖，再利用草圖大師進(jìn)行3D建模，確定尺寸、材料等，用3D打印機打印組件。

圖1 磁吸式駁接精準(zhǔn)光學(xué)實驗套件組件

三、教學(xué)實踐

光沿直線傳播實驗

材料拼接：拼裝組合導(dǎo)軌與導(dǎo)軌支架，將滑塊安裝在組合導(dǎo)軌上，將投影板與兩塊孔板從薄板夾的側(cè)面裝入并通過十字立柱拼裝到十字滑塊上，將強光燈通過磁吸立柱安裝在磁吸滑塊上。

圖2 演示光沿直線傳播實驗

實驗過程：打開強光燈，看看投影板上是否有光斑。若有光斑，記錄強光燈與兩個孔洞之間的距離；若沒有光斑，移動兩塊孔板，直至光斑出現(xiàn)，記錄強光燈與兩個孔洞之間的距離。

裝置效果：孔板在薄板夾上可以移動，我們通過磁吸立柱可以輕松調(diào)節(jié)強光燈的高度。

凸透鏡成像實驗

材料拼接：拼裝組合導(dǎo)軌與導(dǎo)軌支架，先將投影板與菲涅爾透鏡從薄板夾的側(cè)面裝入，并利用十字立柱拼裝到十字滑塊上，將透光板插入多功能燈具，再將多功能燈具通過磁吸立柱安裝在磁吸滑塊上。

實驗過程：打開多功能燈具，通過移動十字滑塊調(diào)節(jié)投影板、菲涅爾透鏡和多功能燈具三者之間的距離，使多功能燈具上的圖案投影到投影板上。

圖3 演示凸透鏡成像實驗

裝置效果：組合軌道可根據(jù)實驗需求隨意駁接；組合導(dǎo)軌上標(biāo)有刻度，方便讀數(shù)。

小孔成像實驗

材料拼接：拼裝組合導(dǎo)軌與導(dǎo)軌支架，將滑塊安裝在組合導(dǎo)軌上。將投影板與可調(diào)小孔板從薄板夾的側(cè)面裝入并通過十字立柱拼裝到十字滑塊上，將透光板插入多功能燈具后，再將多功能燈具通過磁吸立柱安裝在磁吸滑塊上。

圖4 演示小孔成像實驗

實驗過程：打開多功能燈具，通過移動十字滑塊調(diào)節(jié)投影板、可調(diào)小孔板和多功能燈具三者間的距離，直到多功能燈具上的圖案投影到投影板上。

裝置效果：可調(diào)小孔板替代小孔板，學(xué)生可以探究小孔大小與投影的關(guān)系。

四、創(chuàng)新點

1.磁吸立柱與磁吸滑塊的駁接頭采用八邊形磁吸方案，可以磁吸駁接，還可以調(diào)整安裝角度。八邊形磁吸駁接頭可兼容十字駁接頭和一字駁接頭，實現(xiàn)零件的自由拼接。

2.多功能燈具的設(shè)計新穎，可插入透光板改變光源形態(tài)，還可插入濾光片改變光源顏色，其形狀規(guī)整，收納方便，實現(xiàn)一物多用。

圖5 磁吸立柱與滑塊

圖6 多功能燈具部件

3.組合導(dǎo)軌頂部設(shè)置楔形軌道，兩側(cè)標(biāo)有刻度，兩端設(shè)有楔形子母扣，所有組合導(dǎo)軌都可首尾拼接，使裝置更牢固，便于收納使用。

圖7 組合導(dǎo)軌