物理光学实验设备创新设计

张广兴

（北京卫生职业学院，北京 100053）

1 原实验设备存在的一些问题

透镜焦距的测定实验是物理课中光学基础知识必不可少的实验，在全院所有专业的公共基础课程中均有涉及，实验目的是通过对透镜焦距的测定理解眼睛成像和调节的原理。

在传统透镜焦距测定的实验中，实验器材包括光具座、透镜、蜡烛、像屏，其中点燃的蜡烛火焰是实验中的物像参照。然而，蜡烛的使用存在明显的缺陷和隐患。首先，蜡烛的火焰作为物像参照无法进行调节，无法确认其正立或倒立的图像，且无法判断其聚焦中心；其次，点燃的蜡烛直接威胁学生的人身安全和学校公共财产的安全；最后，蜡烛的消耗和采购存在不可重复利用和浪费资源的缺点。目前，部分高等院校采用白炽灯作为物像参照，改善传统的蜡烛在实验中的作用。然而，白炽灯的灯丝耗电量及产热量较大，无法区分正立或倒立的物像，并且无法区分最佳聚焦点。

2 新设备设计思路

2.1 光源系统图形的设计

理论上光源可以是任意形状，传统光源的蜡烛和白炽灯泡的形状都可以，但是在实验中，像屏上呈现的是一个倒立的实像。为了让学生更容易区分像屏上的像是否为倒立，设计一个由多个发光二极管构成的高2.8 cm、宽2.0 cm的旗形图案，光源的图形如图1所示。

图1 二极管构成的高2.8 cm、宽2.0 cm的旗形图案

2.2 光源系统尺寸的设计

焦距测试实验设备由标尺、透镜架、透镜、成像屏架、像屏、光源座、光源构成。原实验设备中的光源为蜡烛，和光源座是匹配的，新设计的光源系统要匹配原实验设备的要求。在设备中像屏座配备了多个，电路板的厚度和像屏的厚度基本一致，所以设计电路板的底座用多余出来的像屏座；设计的电路板的尺寸和像屏宽度相同，可以完好地插到像屏座中。根据原光源蜡烛的高度设计电路板的高度。最终设计为宽8.0 cm、高8.5 cm的长方形电路板，见图2。

图2 最终设计的电路板

2.3 元件的选择

光源系统元件主要包括发光二极管、电池盒、开关3个部分。根据图形设计，在满足小旗形状明显突出的前提下，在保证小旗尺寸设计要求的同时，选择3 mm发光二极管、两节7号电池和带自锁功能的按钮开关。电池盒的选择：发光二极管的稳定工作电压为3 V，用两节1.5 V的电池串联最为合适。综合电路板的尺寸、新光源系统的重量以及工作时间，最终选择了两节7号电池插针式电池盒。普通7号电池的容量为600 mA，发光二极管的工作电流25 mA，在图像设计中使用了13个发光二极管组合成小旗图案，实际光源运行电流为325 mA，所以两节普通7号电池可以满足光源连续工作大约两个小时，完全可以满足光源系统一学期的使用。

在新的光源系统使用电池供电，驱动发光二极管发光。为了增强实验效果、增加光源亮度、节约电能和使用方便，最终选择超亮白发蓝发光二极管。该二极管具有亮度高、耗能低、冷光源等诸多优点，可以满足设计要求。

为了节约电能和使用方便，在电路中设计了开关，开关分为船型开关、按钮开关、波段开关等，种类繁多。考虑到电路板的尺寸和使用方便性，选择体积较小、带自锁功能的按钮开关。该开关具有体积小、操作简单的优点。

3 新设备的制作

3.1 电路板的绘制

在选择好各元件之后，首先制作各元件的封装库。用卡尺量好元件的尺寸、管脚距离及外观尺寸等参数，在Protel软件中制作各元件的封装。在制作好所需元件的封装之后，首先根据电路板的尺寸设计，画电路板的切割层、keepout层，规定好电路板的长宽。然后在规定好的电路板尺寸内、在满足美观实用等要求的基础上摆放元件。将多个发光二极管摆放成设计好的小旗形状，位于光源系统上侧的中间位置，在小旗正下方设计开关位置。为了保持美观，将两节7号电池盒设计在电路板背面，保证了电路板的美观。在摆放好各元件位置之后，使用Protel软件的连线工具完成对各元件之间的电路连接。最终完成电路板PCB图的绘制，见图3。

图3 使用Protel软件完成电路板的绘制

3.2 光源系统焊接组装

在电子城完成电路板制作和元件采买。由于在电路板上已经将电路绘制好，所以只需要将元件安放在电路板上即可完成光源系统的焊接组装。

3.3 焦距测试实验设备整体调试

在元件焊接完成后，检测焊点的质量，检查各元件安放的位置是否正确牢固，在外观检测完成之后进行通电测试。在电池盒中安装好两节7号电池，按下按钮开关，检测各发光二极管是否全部发光，检查小旗形状是否美观。多次按下按钮开关，检测开关是否好用。

在所有检测完成之后，进行光源系统的整体调试。将新光源安装到焦距测试实验系统，如图4所示。在焦距测试实验中，像屏可以接收到明亮清晰的像，能够满足实验要求，达到了开发目的。

图4 新光源焦距测试实验系统

4 新设备实验效果

安装好新光源系统和原光源系统，同时进行焦距测试实验，见图5。

图5 新光源焦距测试实验与原光源焦距测试实验对比

由图5可以看到，由发光二极管作为光源的实验效果明显好于蜡烛光源，光源亮度高于蜡烛，在像屏中的像更加清晰，更容易找到清晰的实像点。小旗的设计可以很容易区分像的正立还是倒立，消除了明火的安全隐患和蜡烛燃烧的异味。由于设置了按钮开关，计算数据时可以关闭电源，节约了能源，避免了反复点蜡烛的烦琐过程。新光源系统使实验过程更加安全、高效、准确，满足了设计目的。

通过电路板的制作，新光源系统的批量生产变得非常简单，成本很低，而且新光源系统可以匹配原焦距测试系统，推广价值很高。目前我校焦距测试系统已全部装备，代替了原光源系统，实验效果与实验安全性都有很大提高。