一种旋转液体抛物液面焦距观测装置

1.本技术涉及物理实验装置技术领域，更具体地说，涉及一种旋转液体抛物液面焦距观测装置。

背景技术：

2.旋转液体特性研究实验是物理实验课的典型实验。在稳定状态下，通过对液面质点的受力情况进行分析，可知稳定的旋转液面是一个以转轴为对称轴的抛物液面，这正是重力、离心力及液体质点分子间相互挤压力共同作用的结果。不同的转速，所产生的离心力不同，得到的抛物液面的形状也就不同。故而利用旋转液体抛物液面的几何光学特性不但可以测量当地的重力加速度，还可以定量研究抛物液面的焦距与转速之间的关系，这对于促进学生深入理解凹面镜的几何光学特性具有非常重要的现实意义。
3.目前，市面上的旋转液体几何光学特性研究实验装置仅利用一束入射光线作为研究对象，测量结果可信度低，存在测量误差。

技术实现要素：

4.本技术提供一种旋转液体抛物液面焦距观测装置，通过观测平行于转轴且可任意调节入射位置的两束入射平行光线经旋转抛物液面反射后的交点与旋转抛物液面最低点之间的距离来获取旋转抛物液面焦距的测量值，将测量值与理论计算值进行比较而得出实验结论，结构简单，操作便捷，易于观测，测量精准。
5.本技术提供一种旋转液体抛物液面焦距观测装置，包括第一底座，所述第一底座上安装有三向调节支架，所述三向调节支架可沿x、y、z三向移动调节，并且可平行于底座平面旋转；所述三向调节支架的端部设有第一调平架，所述第一调平架上设有第一激光源，所述第一激光源的正下方设有用以对平行激光束进行自准直调节的第一薄透光板；还包括第二底座，所述第二底座上安装有第二调节架和第三调节架，所述第二调节架和所述第三调节架均为沿平行于底座平面旋转并且至少沿x、y、z三向中的至少两向方向可调，所述第二调节架的端部设有第二调平架，所述第二调平架的底部安装薄观察屏，所述第三调节架的端部设有第三调平架，所述第三调平架上设有第二激光源，所述第二激光源的正下方设有第二薄透光板；所述第一底座与所述第二底座之间设有旋转装置，所述旋转装置的转轴同轴连接载物平台，所述载物平台上设有液体容器。
6.在一些实施例中，所述三向调节支架包括第一旋转升降杆，所述第一旋转升降杆的顶部设有第一套装件，所述第一套装件内活动套装第一滑动杆，所述第一套装件上设置有可供所述第一滑动杆沿第一套装件的内腔滑动的第一传动组件，所述第一滑动杆的端部设有第二套装件，所述第二套装件内活动套装可沿所述第二套装件的内腔滑动的第二滑动杆，所述第二套装件内设有第二传动组件，所述第二滑动杆的端部固连所述第一调平架。
7.在一些实施例中，所述第二调节架包括第二旋转升降杆，所述第二旋转升降杆的顶部设有第三套装件，所述第三套装件内活动套装第三滑动杆，所述第三套装件上设置有
第三传动组件，所述第三滑动杆的端部固连所述第二调平架。
8.在一些实施例中，所述第三调节架包括第三旋转升降杆，所述第三旋转升降杆的顶部设有第四套装件，所述第四套装件内活动套装第四滑动杆，所述第四套装件上设置有第四传动组件，所述第四滑动杆的端部固连所述第三调平架。
9.在一些实施例中，所述第一传动组件、所述第二传动组件以及所述第三传动组件均包括安装于套装件上的旋扭和设于套装件内部且连接所述旋钮的齿轮齿条，所述齿轮齿条连接所述旋钮和滑动杆。
10.在一些实施例中，所述第一底座和所述第二底座的底部各设有若干个调平螺钉。
11.在一些实施例中，所述调平螺钉为至少三个，且呈角形分布于底座。
12.在一些实施例中，还包括安装于所述第二底座的立柱和滑动安装于所述立柱的水平标尺，所述立柱上设有刻度线。
13.本技术所提供的旋转液体抛物液面焦距观测装置，通过旋转装置以一定的角速度旋转，驱动承有液体的液体容器旋转，观察两入射激光束是否会聚于薄观察屏上转轴所通过直线的同一点上；并保持激光源不变，在保持入射激光束始终平行于转轴的条件下，配合调节三向调节支架和第三调节架改变第二激光源的入射位置，观察两入射激光束是否始终会聚于薄观察屏上的同一点，当两入射激光束始终会聚于薄观察屏上的同一点时，测量旋转凹液面最低点与该会聚点之间的距离。通过改变旋转装置的旋转角速度，重复上述实验，最终验证旋转稳定凹液面为旋转抛物液面的理论推导。本技术所提供的观测装置，其结构简单，操作便捷，易于观测，且测量精准，极大地提高了实验结果的说服力，有助于实验者理解并深入掌握旋转抛物液面几何光学特性以及凹面镜几何光学特性。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
15.图1为本技术所提供的旋转液体抛物液面焦距观测装置的示意图。
16.其中，1-第一底座、2-第二底座、3-旋转装置、4-载物平台、5-液体容器、6-第一旋转升降杆、7-第一套装件、8-第一滑动杆、9-第二套装件、10-第二滑动杆、11-第一调平架、12-第二旋转升降杆、13-第三套装件、14-第三滑动杆、15-第二调平架、16-第三旋转升降杆、17-第四套装件、18-第四滑动杆、19-第三调平架、20-旋钮、21-调平螺钉、22-立柱、23-水平标尺、24-第一激光源、25-第二激光源、26-第一薄透光板、27-薄观察屏、28-第二薄透光板。
具体实施方式
17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
18.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。
19.请参考图1，图1为本技术所提供的旋转液体抛物液面焦距观测装置的示意图。
20.本技术提供一种旋转液体抛物液面焦距观测装置，包括第一底座1、第二底座2和旋转装置3，第一底座1上安装有三向调节支架，三向调节支架可沿x、y、z三向移动调节，并且可平行于第一底座1的底座平面旋转。三向调节支架的端部设有第一调平架11，第一调平架11上设有第一激光源24，第一激光源24的正下方设有第一薄透光板26，第一薄透光板26用以对平行激光束进行自准直调节。
21.第二底座2上安装有第二调节架和第三调节架，第二调节架和第三调节架均为沿平行于底座平台旋转并沿x、y、z三向中的至少两向方向是可调的，第二调节架的端部设有第二调平架15，第二调平架15的底部安装薄观察屏27，第三调节架的端部设有第三调平架19，第三调平架19上设有第二激光源25，第二激光源25的正下方设有第二薄透光板28。第一底座1与第二底座2之间设有旋转装置3，旋转装置3的转轴同轴连接载物平台4，载物平台4上安装液体容器5，液体容器5中盛装待观测的液体。
22.具体地，第一激光源24固定在第一调平架11上，第一激光源24能够发出细亮的平行激光束，通过调节第一调平架11可以调整激光束的入射方向。平面薄透光板设置于第一激光源24的出射端口正下方，用于平行激光束的自准直调节。薄观察屏27连杆通过螺钉固定在第二调平架15的底部，通过调节第二调平架15，可对薄观察屏27的朝向进行调整。
23.第二激光源25固定在第三调平架19上，第二激光源25可发出细亮的平行激光束，通过调节第三调平架19可以调整激光束的入射方向。第二薄透光板28设于第二激光源25的出射端口正下方，用于平行激光束的自准直调节。旋转装置3的转轴与圆柱形载物平台4的中心轴共线，两者通过螺钉连接，旋转装置3的转速可人为设定，并且通过显示屏实时显示。液体容器5为顶部敞开的圆柱形圆筒，液体容器5放置在载物平台4上，旋转装置3旋转运动时，驱动装有待测液体的液体容器5随载物台同步旋转运动。
24.通过受力分析可知，稳定的旋转凹液面为一旋转抛物液面，故平行于转轴入射的光线，经凹液面反射后将会聚于旋转抛物液面的焦点处，该焦距的理论值为g/(2ω2)，其中：g为当地重力加速度，ω为旋转角速。
25.实验前，调节三向调节支架、第二调节架和第三调节架，对各调节架进行校准调平，使第一激光源24和第二激光源25射出的平行细亮激光束均照射到液面上。调节第一调平架11、第二调平架15和第三调平架19，使第一激光源24发出的激光束在其正下方薄透光板上形成的光斑与经过液面反射后在薄透光板上形成的光斑严格重合，则此时第一激光源24发出的激光束平行于转轴。调节第三调平架19，使第二激光源25发出的激光束平行于转轴。配合调节第三调节架使薄观察屏27处于铅直状态，且转轴从其对称中心穿过。薄观察屏27的两观察面分别朝向第一激光源24所在的侧和第二激光源25所在的侧，通过调节架进行适当调节。
26.实验时，通过旋转装置3以一定的角速度旋转，驱动承有液体的液体容器5旋转，观察两入射激光束是否会聚于薄观察屏27上转轴所通过直线的同一点上；并保持激光源不变，在保持入射激光束始终平行于转轴的条件下，配合调节三向调节支架和第三调节架改变第二激光源25的入射位置，观察两入射激光束是否始终会聚于薄观察屏27上的同一点，
当两入射激光束始终会聚于薄观察屏27上的同一点时，测量旋转凹液面最低点与该会聚点之间的距离。通过改变旋转装置3的旋转角速度，重复上述实验，最终验证旋转稳定凹液面为旋转抛物液面的理论推导。
27.本技术利用几何光学的反射原理，以一种较为直观的方法对旋转液体抛物液面的焦距与转速之间的定量关系进行了理论推导，同时，在实验室现有的旋转液体综合实验仪的基础上，对旋转液体抛物液面焦距的测量方法进行了优化，并对不同转速条件下液体抛物液面的焦距进行了实验测量。
28.根据本技术一种具体实施例，三向调节支架包括第一旋转升降杆6，第一旋转升降杆6的顶部设有第一套装件7，第一套装件7内活动套装第一滑动杆8，第一套装件7上设置有第一传动组件，该第一传动组件可供第一滑动杆8沿第一套装件7的内腔滑动，由此调节第一滑动杆8的位置。第一滑动杆8的端部设有第二套装件9，第二套装件9内活动套装第二滑动杆10，第二套装件9内设有第二传动组件，通过调节第二传动组件，使得第二滑动杆10可沿第二套装件9的内腔滑动，第二滑动杆10的端部固连第一调平架11。
29.本实施例中，通过调节第一传动组件可以驱动第一滑动杆8调节位置。通过调节第二传动组件可以驱动第二滑动杆10调节位置。
30.第一旋转升降杆6包括垂直于第一底座1上表面的圆柱形立柱和套装于立柱上的圆状套筒，圆状套筒可沿立柱轴向一维上下滑动，同时可绕立柱22作旋转运动，并可利用圆状套筒上的锁紧螺钉进行锁紧。圆状套筒的顶部通过第一套装件7与第一滑动杆8相连接，第一滑动杆8与立柱22相互垂直。第一滑动杆8的下表面设有轴向凹形槽，槽内设有第一传动组件，通过第一传动组件可以实现第一滑动杆8沿其轴向作一维往返运动。第一滑动杆8的末端通过第二套装件9与第二滑动杆10相连接，第二滑动杆10与第一滑动杆8及立柱22相互垂直。
31.第二调节架包括第二旋转升降杆12，第二旋转升降杆12的顶部设有第三套装件13，第三套装件13内活动套装第三滑动杆14，第三套装件13上设置有第三传动组件，第三滑动杆14的端部固连第二调平架15。第二旋转升降杆12垂直安装于第二底座2上，第二旋转升降杆12的结构与第一旋转升降杆6结构相同，均可升降运动和绕中心轴转动，通过调节第三传动组件，可以调节第三滑动杆14的位置。
32.相似的，第三调节架与第二调节架结构相同，包括第三旋转升降杆16，第三旋转升降杆16垂直于第二底座2设置，第三旋转升降杆16的顶部设有第四套装件17，第四套装件17内活动套装第四滑动杆18，第四套装件17上设置有第四传动组件，第四滑动杆18的端部固连第三调平架19。通过调节第四传动组件可以驱动第四滑动杆18的位置调整。
33.第一传动组件、第二传动组件以及第三传动组件均包括旋钮20、齿轮和齿条，旋钮20安装在套装件上，滑动杆的下表面设有轴向凹形槽，槽内设有齿条，该齿条与套装件中的齿轮密切咬合。通过转动齿轮可实现相对应的滑动杆沿其轴向作一维往返运动。
34.本技术中的第一调平架、第二调平架和第三调平架均由上架、下架、若干弹簧和若干调节螺丝构成，上架与下架经过弹簧连结为一体，弹簧套装于调节螺丝的外部，调节螺丝将上架与下架撑开，通过旋拧螺丝进行调平。
35.根据本技术一具体实施例，第一底座1、第二底座2和旋转装置3的底部各设有调平螺钉21，调平螺钉21的数量至少为三个，且呈角形分布于各底座。实验前，借助于水平仪分
别调节第一底座1和第二底座2底部的调平螺钉21，使旋转装置3的载物平台4以及第一底座1和第二底座2的底座上表面分别处于水平状态，再进行后续监测。第二底座2还安装有立柱22，立柱22上滑动安装有水平标尺23，立柱22为圆柱状结构，其上沿轴向标刻有毫米刻度，并装有用于测取观测点高度的水平标尺23。具体来说，水平标尺23上前后两侧分别刻有相互平行的两条直线，此相互平行的两条直线所确定的平面垂直于立柱22，故调节水平标尺23使观测点位于该两直线所确定的平面上，即可通过立柱22上的毫米刻度读取被观测点的高度。
36.当两入射激光束始终会聚于薄观察屏27上的同一点时，则利用水平标尺23测取旋转凹液面最低点与会聚点之间的距离，并记下与此旋转凹液面相对应的转速。改变旋转系统的旋转角速度，重复测量。
37.需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
38.以上对本技术所提供的旋转液体抛物液面焦距观测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。

技术特征：

1.一种旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，包括第一底座(1)，所述第一底座(1)上安装有三向调节支架，所述三向调节支架可沿x、y、z三向移动调节，并且可平行于底座平面旋转；所述三向调节支架的端部设有第一调平架(11)，所述第一调平架(11)上设有第一激光源(24)，所述第一激光源(24)的正下方设有用以对平行激光束进行自准直调节的第一薄透光板(26)；还包括第二底座(2)，所述第二底座(2)上安装有第二调节架和第三调节架，所述第二调节架和所述第三调节架均为沿平行于底座平面旋转并且至少沿x、y、z三向中的至少两向方向可调，所述第二调节架的端部设有第二调平架(15)，所述第二调平架(15)的底部安装薄观察屏(27)，所述第三调节架的端部设有第三调平架(19)，所述第三调平架(19)上设有第二激光源(25)，所述第二激光源(25)的正下方设有第二薄透光板(28)；所述第一底座(1)与所述第二底座(2)之间设有旋转装置(3)，所述旋转装置(3)的转轴同轴连接载物平台(4)，所述载物平台(4)上设有液体容器(5)。2.根据权利要求1所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述三向调节支架包括第一旋转升降杆(6)，所述第一旋转升降杆(6)的顶部设有第一套装件(7)，所述第一套装件(7)内活动套装第一滑动杆(8)，所述第一套装件(7)上设置有可供所述第一滑动杆(8)沿第一套装件(7)的内腔滑动的第一传动组件，所述第一滑动杆(8)的端部设有第二套装件(9)，所述第二套装件(9)内活动套装可沿所述第二套装件(9)的内腔滑动的第二滑动杆(10)，所述第二套装件(9)内设有第二传动组件，所述第二滑动杆(10)的端部固连所述第一调平架(11)。3.根据权利要求2所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述第二调节架包括第二旋转升降杆(12)，所述第二旋转升降杆(12)的顶部设有第三套装件(13)，所述第三套装件(13)内活动套装第三滑动杆(14)，所述第三套装件(13)上设置有第三传动组件，所述第三滑动杆(14)的端部固连所述第二调平架(15)。4.根据权利要求3所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述第三调节架包括第三旋转升降杆(16)，所述第三旋转升降杆(16)的顶部设有第四套装件(17)，所述第四套装件(17)内活动套装第四滑动杆(18)，所述第四套装件(17)上设置有第四传动组件，所述第四滑动杆(18)的端部固连所述第三调平架(19)。5.根据权利要求3所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述第一传动组件、所述第二传动组件以及所述第三传动组件均包括安装于套装件上的旋钮(20)和设于套装件内部且连接所述旋钮(20)的齿轮齿条。6.根据权利要求1～5任一项所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述第一底座(1)和所述第二底座(2)的底部各设有若干个调平螺钉(21)。7.根据权利要求6所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，所述调平螺钉(21)为至少三个，且呈角形分布于底座。8.根据权利要求7所述的旋转液体抛物液面焦距观测装置，其特征在于，还包括安装于所述第二底座(2)的立柱(22)和滑动安装于所述立柱(22)的水平标尺(23)，所述立柱(22)上设有刻度线。

技术总结

本申请提供一种旋转液体抛物液面焦距观测装置，包括第一底座、第二底座和旋转装置，第一底座具有三向调节支架；三向调节支架的端部设有第一调平架，第一调平架上设有第一激光源，第一激光源的正下方设有第一薄透光板，第二底座上安装有可沿平行于底座平面旋转并且至少沿X、Y、Z三向中的至少两向是可调的第二调节架和第三调节架，第二调节架的端部设有第二调平架，第二调平架的底部安装薄观察屏，第三调节架的端部设有第三调平架，第三调平架上设有第二激光源，第二激光源的正下方设有第二薄透光板；旋转装置的转轴同轴连接载物平台，台上设有液体容器。本申请结构简单，操作便捷，易于观测，测量精准。测量精准。测量精准。