技术领域
[0001] 本
发明涉及一种简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，是一种基于LED点阵的物理学原理演示设备。
背景技术
[0002] 在高校物理课堂上有关振动的合成的课程中，尽管有flash动画演示效果，但对于抽象的振动的合成仍然难以让同学们理解。而现有的能够演示振动过程的设备，普遍采用激光模拟和机械直接演示，它们都不能演示振动的合成的过程，只能提供静态的画面，并且也无法演示偏振光的合成。
[0003] 现在市场上的振动合成的演示仪，一般是激光模拟的或机械直接演示的。机械传动类演示仪器，体积较大，成本较高，虽可演示一些简谐振动合成的过程，但演示时间较长且不可调整，若在课堂上演示的话将会耽误上课时间。激光模拟类演示，只是给人一幅图画，让人无法感受合成的过程。
[0004] 现在许多高校都在进行偏振光演示的研究，但总体上都是基于光的线偏振化，然后进行直接演示，但这样得到的仅仅是个图像，并不能演示偏振光的矢端运动过程。另外，对于光的五种偏振态比较分析的演示，研究者很少。
[0005] 现在许多研究者实现了用Visua1 C++编程来演示简谐振动的合成，但是这种方式并不能演示简谐振动的合成过程，更无法演示光的五种偏振态。
发明内容
[0006] 本发明提出了如下的技术方案：
[0007] 简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，包括LED点阵屏显示模
块、控
制模块和指令输入模块；
[0008] 所述LED点阵屏显示模块包括LED点阵屏，用于显示图像；
[0009] 所述指令输入模块用于根据用户的输入向
控制模块发送控制指令，所述控制指令包括演示预定图像或演示预定过程的指令；
[0010] 所述控制模块用于接收指令输入模块发送的控制指令，并根据所述控制指令控制LED点阵屏中的若干个
LED灯显示预定图像，所述预定图像包括简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程。
[0011] 本发明能够直观的演示出简谐振动的合成过程和光的五种偏振态，让初学者更好的理解简谐振动和偏振光的合成这一抽象知识点；并且可以让学生亲自动手操作，以及根据自己的要求选择所要演示的图形；还能够演示不同
频率的振动动态的合成过程，以及偏振光的光矢端运动过程。
附图说明
[0012] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与本发明的
实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0013] 图1为本发明提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的结构示意图；
[0014] 图2为本发明提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的程序执行示意图。
具体实施方式
[0015] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0016] 本发明实施例提供了一种简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪，如图1所示，包括LED点阵屏显示模块、控制模块和指令输入模块；
[0017] 所述LED点阵屏显示模块包括LED点阵屏，用于显示图像；
[0018] 所述指令输入模块用于根据用户的输入向控制模块发送控制指令，所述控制指令包括演示预定图像或演示预定过程的指令；
[0019] 所述控制模块用于接收指令输入模块发送的控制指令，并根据所述控制指令控制LED点阵屏中的若干个LED灯显示预定图像，所述预定图像包括简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态和偏振光光矢端运动过程。
[0020] 具体的，现有LED点阵屏的控制
电路的实现方式一般有两种：可编程器件和
单片机。可编程器件完全
硬件实现控制逻辑，速度较快，主要用于大尺寸LED屏或同步屏。单片机使用
软件实现控制逻辑，速度相对较慢，一般可用于小尺寸的异步屏，但是单片机可灵活方便的实现一些特殊功能。因此，在本具体实施方式中采用一片MC9S12XS128单片机作为控制模块，即可实现对LED屏的控制，直接用于控制的端口只需12位，其余端口可作为扩展其他功能使用。采用MC9S12XS128单片机控制主要是考虑程序所占的空间较大，而该单片机有64K的程序
存储器，可满足程序设计的需要。
[0021] LED点阵屏可采用64行X64列的LED灯点阵，控制电路使用74HC595的串行移位寄存器作为MC9S12XS128单片机IO口的扩展，即通过串行通信来传输数据，并行口来输出数据，这样大大的节省了单片机的IO口；使用4514译码器进一步扩展IO口，使用达林顿管驱动64个LED灯，进而驱动控制64行绿灯和64行红灯，从而实现IO口的扩展和LED灯的高
亮度。另外，由于同时点亮LED灯的数量太多，
电流太大，故对几个电流较大的芯片分别单独使用稳压芯片7805供电，共使用了7片7805供电。
[0022] 指令输入模块主要是由4个按键和4X4的矩阵
键盘由单片机的12IO口控制。其中4X4的矩阵键盘分别控制简谐振动合成的16种图形和偏振光干涉的图形，另外的4个按键，作为总
开关类的控制，分别可选择为简谐振动合成图、简谐振动合成过程、光的五种偏振态图、偏振光光矢端运动过程。
[0023] 本具体实施方式提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的工作原理是：首先按照发明目标，对电路进行了调查研究，并进行了一些实际的测试，然后绘出原理图。控制LED点阵屏64列可使用单片机的4个IO口，经过串行传输数据，并一位一位的向后移动，最终并行输出64个数据；控制LED点阵屏64行可使用单片机的8个IO口，经过串行传输数据，最终并行输出16个数据，控制8个4-16译码器，译码器把数据译为控制绿灯的64行和控制红灯的64行；达林顿管放大电路用于驱动LED点阵灯，使LED灯有足够的亮度；供电稳压电路是考虑到驱动电路电流较大，故给每三个达林顿管配给一个稳压电源；MC9S12XS128单片机的核心控制模块，使用了PORTA、PORTB、PORTE口，分别控制64列、64行绿灯、64行红灯和键盘；输入模块3分为4个按键的主控和16个按键的分别控制。最后，经过手动布局、自动布线和手动布线，生成了3块PCB
电路板文件，进而刷印出PCB电路板。
[0024] 振动的合成主要包括同方向同频率的简谐振动的合成、同方向不同频率的简谐振动的合成、相互垂直同频率的简谐振动的合成和相互垂直不同频率的简谐振动的合成。以相互垂直同频率的简谐振动的合成为例，两个简谐振动的表达式分别为：
[0025] 消去t，获得轨迹方程为：
[0026]
[0027] X轴上的振动和Y轴上的振动
相位差分别是π/2、π、3π/4，它们合振动为以坐标轴为
主轴的椭圆、直线、扁平圆。红色的LED灯从左到右按顺序亮，再从右到左按顺序亮，且运动速度矢量函数为正弦函数，从而模拟出了X轴方向的简谐振动；同理，使用绿色LED灯的“明暗”运动模拟Y轴方向的简谐振动；使用黄色LED灯的运动模拟合成的简谐振动。这样，当X轴和Y轴上LED灯运动时，即X轴和Y轴上有简谐振动时，对应的合成出的黄色LED灯就会跟着运动，于是就演示出了合成的简谐振动的合成过程。
[0028] LED灯的开始亮的起始
位置不同就表示初相位不同，当X轴上从0π处开始振动，Y轴上也从0π处开始振动，则它们的
相位差为0π，在频率相同时合成的图形为直线；当X轴上从0.5π开始振动，Y轴上从0π开始振动，这时它们的相位差为0.5π，在频率相同时合成的图形为椭圆；当X轴上从0.25π处开始振动，Y轴上从0π开始振动，这时它们的相位差为0.25π，在频率相同时合成的图形为扁平圆。当X轴上从0.75π开始振动，Y轴上从0π开始振动，这时它们的相位差为0.75π。
[0029] LED灯的振动速度不同来表现频率的不同，频率相同则X轴和Y轴上LED灯运动一周期的时间相同；频率为2:1时则X轴上LED灯运动两周期的时间和Y轴上LED灯运动一周期的时间相同；同理可使用LED灯表现频率为3:1和3:2的简谐振动的合成。
[0030] 对于光的五种偏振态，由于
电磁波是横波，光波作为电磁波具有偏振性，如果光矢量只沿垂直于波线方向的一个固定方向振动，则该光波称为线偏振光，图示中常用波线上短线或点来表示线偏振光。两个沿z方向传播的同频率的线偏振光，如果振动面相互垂直（设为x、y方向），当这两个线偏振光的初相位差为π的整数倍时，矢端轨迹为直线，即为线偏振光；两个线偏振光的振幅相等且初相位差为π/2的奇数倍时，矢端轨迹为圆，即为圆偏振光，若它们的振幅不相等，则矢端轨迹为椭圆，即为椭圆偏振光。椭圆和圆偏振光的特点是光矢量的端点绕光波的传播方向作螺旋形旋转，根据光矢量在垂直于光传播的平面内的旋转方向（迎着光的前进方向看）可分为右旋和左旋偏振光，顺
时针旋转时为右旋偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，各个方向的光振动均匀分布，各方向振幅和强度都相同的光称为自然光，自然光为完全非偏振光。在垂直于光传播方向的平面内，各个方向的光振动都有，但光强不相等的光称为部分偏振光，部分偏振光可看成是自然光与完全偏振光的
叠加。
[0031] 线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光三种为完全偏振光，它们都可等效地用两个振动方向相互垂直、频率相同、具有确定相位差的线偏振光来合成。使用LED灯表示自然光的图示，红、绿两色LED灯均匀分布，黄色LED灯箭头表示自然光，由于任何光都可以分解为相互垂直方向上的线偏振光，红色LED灯表示在显示平面垂直自然光的线偏振光，绿色LED灯表示垂直于显示平面的线偏振光。同理，红、绿两色LED灯不均匀分布时，表示部分偏振光的图示。
[0032] 使用黄色LED灯显示合成的线偏振光垂直于显示平面，其矢端运动轨迹为一斜线，可由X轴和Y轴上的线偏振光合成。X轴上用三个点的运动表现X轴的线偏振光的光矢端的运动，Y轴上用三个点的运动表现Y轴的线偏振光的光矢端的运动，当X轴和Y轴的光矢端同时运动时，在合成的线偏振光上就会叠加绿色LED灯的运动，用以表示合成线偏振光的光矢端的运动。
[0033] LED灯的开始亮的位置不同就表示初相位不同，当X轴上从0π处开始振动，Y轴上也从0π处开始振动，则它们的相位差为0π，合成的图形为线偏振光；当X轴上从0.5π向右开始振动，Y轴上从0π开始振动，这时它们的相位差为0.5π，合成的图形为圆偏振光，且此时为右旋圆偏振光；当X轴上从0.5π向左开始振动，Y轴上从0π开始振动，合成的圆偏振光为左旋圆偏振光；当X、Y轴上线偏振光的振幅不同时，如果它们的相位差为0.5π，合成的图形为椭圆偏振光，和圆偏振光一样LED灯的运动也可表现出右旋和左旋椭圆偏振光。
[0034] 图2所示的是本具体实施方式提供的简谐振动合成和光的五种偏振态的智能演示仪的程序执行图，整个装置上电后，LED屏显示的是“简谐振动和偏振光合成综合智能演示仪”，通过四个按键，分别可选择简谐振动合成图、简谐振动合成过程、偏振光干涉图、偏振光干涉过程四种状态，然后，再选择16种图形或16种过程。本具体实施方式提供的简谐振动和偏振光合成的综合智能演示仪的控制程序分为两部分，一部分是扫描程序，使用MC9S12XS128单片机的周期
定时器0，定时0.3ms，扫描一行，LED屏64行共需19.2ms，由于人的视觉暂留时间为24ms，所以看到LED屏上是一副完整的画面；另一部分是改变显示内容和显示演示
颜色部分，主要是通过输入模块3，由使用者选择，使用MC9S12XS128单片机的周期定时器1，定时0.5s，检查是否要更新显示内容。
[0035] 采用本实施例的方案，能够直观的演示出简谐振动和偏振光的合成过程，让初学者更好的理解简谐振动和偏振光的合成这一抽象知识点；并且可以让学生亲自动手操作，以及根据自己的要求选择所要演示的图形；还能够演示不同频率的振动动态的合成过程，以及偏振光的光矢端运动过程。
[0036] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
