磁吸式驳接精准光学实验套件设计

◎湖南第一师范学院第一附属小学 王志毅

光学实验是科学探究的重要实验。我研制了一款适合小学科学教学的光学教具——磁吸式驳接精准光学实验套件，它组接方便，适用于多种光学实验，有助于学生探究能力的培养。

一、设计思路

1.传统光学教具主体材质为金属，尺寸较大，价格昂贵，不便于保养，轨道易生锈。我想更换材质、缩小尺寸，尝试通过折叠、伸缩或拼接等方式缩小轨道所占空间。

2.光学探索器材套件的配件繁杂，不便于使用和收纳。我想精简组件，统一组件拼接口，实现多种功能。

3.主题式光学实验器材功能单一，且没有轨道，无法获取精准的实验数据。我想增加带有精准刻度的轨道，并将小学光学实验器材进行整合。

二、设计制作

磁吸式驳接精准光学实验套件的组件包括3片菲涅尔透镜（相当于凸透镜）、7根组合导轨、2个导轨支架、4个十字滑块、6个十字立柱、4个磁吸滑块、6个磁吸立柱、5个薄板夹、1个充电电源、2块孔板、2块投影板、1个强光灯、1个多功能灯具、3块滤光片、1块透光板和1块可调小孔板。

我先绘制组件设计草图，再利用草图大师进行3D建模，确定尺寸、材料等，用3D打印机打印组件。

图1 磁吸式驳接精准光学实验套件组件

三、教学实践

光沿直线传播实验

材料拼接：拼装组合导轨与导轨支架，将滑块安装在组合导轨上，将投影板与两块孔板从薄板夹的侧面装入并通过十字立柱拼装到十字滑块上，将强光灯通过磁吸立柱安装在磁吸滑块上。

图2 演示光沿直线传播实验

实验过程：打开强光灯，看看投影板上是否有光斑。若有光斑，记录强光灯与两个孔洞之间的距离；若没有光斑，移动两块孔板，直至光斑出现，记录强光灯与两个孔洞之间的距离。

装置效果：孔板在薄板夹上可以移动，我们通过磁吸立柱可以轻松调节强光灯的高度。

凸透镜成像实验

材料拼接：拼装组合导轨与导轨支架，先将投影板与菲涅尔透镜从薄板夹的侧面装入，并利用十字立柱拼装到十字滑块上，将透光板插入多功能灯具，再将多功能灯具通过磁吸立柱安装在磁吸滑块上。

实验过程：打开多功能灯具，通过移动十字滑块调节投影板、菲涅尔透镜和多功能灯具三者之间的距离，使多功能灯具上的图案投影到投影板上。

图3 演示凸透镜成像实验

装置效果：组合轨道可根据实验需求随意驳接；组合导轨上标有刻度，方便读数。

小孔成像实验

材料拼接：拼装组合导轨与导轨支架，将滑块安装在组合导轨上。将投影板与可调小孔板从薄板夹的侧面装入并通过十字立柱拼装到十字滑块上，将透光板插入多功能灯具后，再将多功能灯具通过磁吸立柱安装在磁吸滑块上。

图4 演示小孔成像实验

实验过程：打开多功能灯具，通过移动十字滑块调节投影板、可调小孔板和多功能灯具三者间的距离，直到多功能灯具上的图案投影到投影板上。

装置效果：可调小孔板替代小孔板，学生可以探究小孔大小与投影的关系。

四、创新点

1.磁吸立柱与磁吸滑块的驳接头采用八边形磁吸方案，可以磁吸驳接，还可以调整安装角度。八边形磁吸驳接头可兼容十字驳接头和一字驳接头，实现零件的自由拼接。

2.多功能灯具的设计新颖，可插入透光板改变光源形态，还可插入滤光片改变光源颜色，其形状规整，收纳方便，实现一物多用。

图5 磁吸立柱与滑块

图6 多功能灯具部件

3.组合导轨顶部设置楔形轨道，两侧标有刻度，两端设有楔形子母扣，所有组合导轨都可首尾拼接，使装置更牢固，便于收纳使用。

图7 组合导轨