磁吸式駁接精準光學實驗套件設計

王志毅

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

一、設計思路

1.傳統光學教具主體材質為金屬，尺寸較大，價格昂貴，不便于保養，軌道易生銹。我想更換材質、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，統一組件拼接口，實現多種功能。

3.主題式光學實驗器材功能單一，且沒有軌道，無法獲取精準的實驗數據。我想增加帶有精準刻度的軌道，并將小學光學實驗器材進行整合。

二、設計制作

磁吸式駁接精準光學實驗套件的組件包括3片菲涅爾透鏡（相當于凸透鏡）、7根組合導軌、2個導軌支架、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塊可調小孔板。

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

三、教學實踐

光沿直線傳播實驗

材料拼接：拼裝組合導軌與導軌支架，將滑塊安裝在組合導軌上，將投影板與兩塊孔板從薄板夾的側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。

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，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節強光燈的高度。

凸透鏡成像實驗

材料拼接：拼裝組合導軌與導軌支架，先將投影板與菲涅爾透鏡從薄板夾的側面裝入，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節投影板、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。

裝置效果：組合軌道可根據實驗需求隨意駁接；組合導軌上標有刻度，方便讀數。

小孔成像實驗

材料拼接：拼裝組合導軌與導軌支架，將滑塊安裝在組合導軌上。將投影板與可調小孔板從薄板夾的側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。

實驗過程：打開多功能燈具，通過移動十字滑塊調節投影板、可調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：可調小孔板替代小孔板，學生可以探究小孔大小與投影的關系。

四、創新點

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，實現零件的自由拼接。

2.多功能燈具的設計新穎，可插入透光板改變光源形態，還可插入濾光片改變光源顏色，其形狀規整，收納方便，實現一物多用。

3.組合導軌頂部設置楔形軌道，兩側標有刻度，兩端設有楔形子母扣，所有組合導軌都可首尾拼接，使裝置更牢固，便于收納使用。

（欄目編輯：周星星）