CN104933930A - 负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置与实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，在底座上设置内装有水的透明水槽，透明水槽长度方向的右外侧面喷涂有白色油漆层，透明水槽内设置安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片的上表面为冷面、下表面为热面，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，在底座上透明水槽的左侧设置安装有半导体激光器和圆柱面透镜的激光器支架，圆柱面透镜的中心线与水平面垂直、且与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直。这种结构的正梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，结构简单、建立梯度温度场的速度快、梯度温度场稳定、演示效果明显、直观，可作为光学演示和实验仪器。

Description

负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置与实验方法
技术领域
本发明属于光学实验教学仪器技术领域，具体涉及到演示直线光弯曲的实验仪器。
背景技术
光直线传播概念的形成，始于人们在有限范围内的直观感受以及中小学几何光学中建立的光直线传播的“公理性”概念。而实际上光直线传播是有条件的，即只有在均匀介质中才是直线传播的。光在大气中传输问题的研究表明，当光在大气中长距离传输时，往往出现光线弯曲传输现象。对光在大气中曲线传输想象产生的机理，学术界早有定论，即由于大气中温度场的不均匀，造成大气密度分布不均匀，从而使大气折射率分布出现不均匀状态。大气折射率分布的不均匀，必然使光线通过时产生折射，由于大气温度场的分布从宏观角度看，是渐变而非突变。显然，大气折射率的分布，也是渐变的。因此,光线在穿过大气传输时出现弯曲而非折线传输。光线在大气中传输时弯曲现象的显现，必须满足两个条件，即大气折射率的变化梯度方向与光线传输方向成一定的角度，也就是大气的温度梯度的变化方向不与光线传输方向平行；其次，由于大气中温度的变化梯度很小，光线必须经过长距离传输，使得偏差积累，才能明显看到光线弯曲方向。由于空气的热容量很小，在实验室有限的空间内很难建立起大的空气梯度温度场，因此在实验室模拟演示光线在温度非均匀大气中的弯曲传输现象几乎没有可能，使得学生对这一光学现象的理解也就只能凭借想象力。水作为另一种流体，其性质和运动规律与大气非常相近，同时水的热容量比空气大得多，容易在有限体积的水中建立高梯度温度场，即容易通过观察光线在非均匀温度分布水中的弯曲传输方向和相应的温度场的温度分布值，使学生直接观察光线在已知不同方向梯度温度场中的弯曲传输情况。但目前未见到相关的教学实验演示仪器。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于使用负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置的实验方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置内装有水的透明水槽，透明水槽的右外侧面喷涂有白色油漆层，透明水槽内设置安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片的上表面为热面，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，在底座上透明水槽的左侧设置安装有半导体激光器和圆柱面透镜的激光器支架，圆柱面透镜的中心线与水平面垂直、且与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直。
本发明的透明水槽和半导体制冷片的几何形状为长方体，半导体制冷片的上表面与水平面平行、前侧面与透明水槽的前侧壁平行。
本发明的圆柱面透镜的直径为3～5mm。
使用上述负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置的实验方法由下述步骤组成：
1、接通半导体激光器的电源，同步调整半导体激光器的出射光方向和圆柱面透镜的位置，使半导体激光器出射的激光束透过圆柱面透镜形成扇形片光透过透明水槽内的水，在白色油漆层上投射形成水平光带。
2、从水槽前侧壁水平观察扇形片光在水中的光束径迹，调整扇形片光与半导体制冷片间的相对位置，使扇形片光在水中的光束径迹水平通过半导体制冷片的正上方，扇形片光所在平面与半导体制冷片上表面平行，扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片上表面之间的距离h为2～2.5mm。
3、接通半导体制冷片的电源，半导体制冷片的上表面为热面，观察白色油漆层上水平光带的变化情况，分析扇形片光在白色油漆层上投射的水平光带中部上凸与半导体制冷片上方梯度温度场方向的关系。
本发明将通电的半导体制冷片水平浸入水中，在半导体制冷片上方的水中建立负梯度温度场，同时使激光扇形片光水平通过半导体制冷片上方的负梯度温度场，处于负梯度温度场中的激光扇形片光向上弯曲，白色油漆层上形成的水平光带中部上凸，直观地演示了负温度梯度场中光线的弯曲方向。这种结构的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，结构简单、建立梯度温度场的速度快、梯度温度场稳定、演示效果明显、直观，可作为光学演示和实验仪器。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是半导体制冷片5通电前激光扇形片光投射在白色油漆层4上的水平光带照片。
图3是半导体制冷片5通电后激光扇形片光投射在白色油漆层4上的水平光带中部上凸的照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置由半导体激光器1、圆柱面透镜2、透明水槽3、白色油漆层4、半导体制冷片5、半导体制冷片支架6、底座7、激光器支架8联接构成。
在底座7上放置有透明水槽3，透明水槽3采用有机玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽3的几何形状为长方体，透明水槽3内装满水，透明水槽3的右外侧面上喷涂有白色油漆层4，白色油漆层4用于显示投射光带的形状。在透明水槽3内的底部放置有半导体制冷片支架6，半导体制冷片支架6上用胶粘接有半导体制冷片5，半导体制冷片支架6和半导体制冷片5浸入水中，半导体制冷片5的几何形状为长方体，半导体制冷片5的上表面为热面，半导体制冷片5的上表面与水平面平行，半导体制冷片5的前侧面与透明水槽3的前侧面平行。
在底座7上透明水槽3外的左侧放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1支架上固定安装有圆柱面透镜2，圆柱面透镜2的直径为4mm，圆柱面透镜2在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜2的中心线与水平面垂直、与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直。半导体激光器1出射的激光束透过圆柱面透镜2后形成射向透明水槽3的扇形片光，扇形片光所在平面与半导体制冷片5上表面平行，扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为4mm，扇形片光从半导体制冷片5的上方透过水槽，投射在透明水槽3右侧壁的白色油漆层4上，在白色油漆层4上形成水平光带。
使用上述光线在负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置演示光线弯曲的实验方法步骤如下：
1、接通半导体激光器1的电源，同步调整半导体激光器1的出射光方向和圆柱面透镜2的位置，使半导体激光器1出射的激光束透过圆柱面透镜2形成扇形片光透过透明水槽3内的水，在白色油漆层4上投射形成水平光带。
2、从水槽前侧壁水平观察扇形片光在水中的光束径迹，调整扇形片光与半导体制冷片5间的相对位置，使扇形片光在水中的光束径迹水平通过半导体制冷片5的正上方，同时使扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为4mm，扇形片光在白色油漆层4上投射形成图2照片所示的水平光带。
3、接通半导体制冷片5的电源，使半导体制冷片5的上表面为热面，观察白色油漆层4上水平光带的变化情况，如图3照片所示，在图3中，白色油漆层4上投射的水平光带中部上凸，说明经过半导体制冷片5上方负温度梯度场的光线向上弯曲。
实施例2
在透明水槽3内的底部放置有半导体制冷片支架6，半导体制冷片支架6上用胶粘接有半导体制冷片5，半导体制冷片支架6和半导体制冷片5浸入水中，半导体制冷片5的上表面为热面、下表面为冷面。在底座7上透明水槽3的左侧放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜2，圆柱面透镜2的直径为4mm，圆柱面透镜2在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜2的中心线与水平面垂直、与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直，半导体激光器1出射的激光束透过圆柱面透镜2后形成射向透明水槽3的扇形片光，扇形片光所在平面与半导体制冷片5上表面平行，扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为3mm，扇形片光从半导体制冷片5的上方透过水槽，投射在透明水槽3右侧壁的白色油漆层4上，在白色油漆层4上形成水平光带。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例光线在正梯度温度场中弯曲方向演示装置演示光线弯曲的实验方法步骤如下：
步骤1与实施例1相同。在步骤2中，从水槽前侧壁水平观察扇形片光在水中的光束径迹，调整扇形片光与半导体制冷片5间的相对位置，使扇形片光在水中的光束径迹水平通过半导体制冷片5的正上方，使扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为3mm，扇形片光在白色油漆层4上投射形成水平光带。步骤3与实施例1相同。
实施例3
在透明水槽3内的底部放置有半导体制冷片支架6，半导体制冷片支架6上用胶粘接有半导体制冷片5，半导体制冷片支架6和半导体制冷片5浸入水中，半导体制冷片5的上表面为热面、下表面为冷面。在底座7上透明水槽3的左侧放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜2，圆柱面透镜2的直径为4mm，圆柱面透镜2在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜2的中心线与水平面垂直、与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直。半导体激光器1出射的激光束透过圆柱面透镜2后形成射向透明水槽3的扇形片光，扇形片光所在平面与半导体制冷片5上表面平行，扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为5mm，扇形片光从半导体制冷片5的上方透过水槽，投射在透明水槽3右侧壁的白色油漆层4上，在白色油漆层4上形成水平光带。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例光线在正梯度温度场中弯曲方向演示装置演示光线弯曲的实验方法步骤如下：
步骤1与实施例1相同。在步骤2中，从水槽前侧壁水平观察扇形片光在水中的光束径迹，调整扇形片光与半导体制冷片5间的相对位置，使扇形片光在水中的光束径迹水平通过半导体制冷片5的正上方，使扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片5上表面之间的距离h为5mm，扇形片光在白色油漆层4上投射形成水平光带。步骤3与实施例1相同。
实施例4
在以上的实施例1～3中，在底座7上透明水槽3的左侧放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜2，圆柱面透镜2的直径为3mm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
演示光线弯曲的实验方法步骤与相应的实施例相同。
实施例5
在以上的实施例1～3中，在底座7上透明水槽3的左侧放置有激光器支架8，激光器支架8上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜2，圆柱面透镜2的直径为5mm。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
演示光线弯曲的实验方法步骤与相应的实施例相同。
本发明的工作原理如下：
浸于水中的半导体制冷片5，通电后上表面为热面，在半导体制冷片5热面上方距离上表面10mm的高度范围内的水中，形成负梯度温度场，即以半导体制冷片5上表面为起点，向上温度逐渐降低。水在4℃以上的密度与温度成反比，而水的密度越大，其折射率就越大，即水温低，则折射率大，在半导体制冷片5上方形成折射率下小上大的梯度变化区域。由于光线在传输过程中总是向折射率大的区域偏折，因此半导体制冷片5正上方的激光束向上弯曲，使相应的原白色油漆层4上中间部分的水平光带上凸。

Claims (4)

1.一种负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，其特征在于：在底座(7)上设置内装有水的透明水槽(3)，透明水槽(3)的右外侧面喷涂有白色油漆层(4)，透明水槽(3)内设置安装有半导体制冷片(5)的半导体制冷片支架(6)，半导体制冷片(5)的上表面为热面，半导体制冷片支架(6)和半导体制冷片(5)浸入水中，在底座(7)上透明水槽(3)的左侧设置安装有半导体激光器(1)和圆柱面透镜(2)的激光器支架(8)，圆柱面透镜(2)的中心线与水平面垂直、且与激光器出射的激光束在同一个竖直平面内相互垂直。
2.根据权利要求1所述的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，其特征在于：所述的透明水槽(3)和半导体制冷片(5)的几何形状为长方体，半导体制冷片(5)的上表面与水平面平行、前侧面与透明水槽(3)的前侧壁平行。
3.根据权利要求1所述的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置，其特征在于：所述的圆柱面透镜(2)的直径为3～5mm。
4.一种使用权利要求1所述的负梯度温度场中光线弯曲方向演示装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：
1)接通半导体激光器(1)的电源，同步调整半导体激光器(1)的出射光方向和圆柱面透镜(2)的位置，使半导体激光器(1)出射的激光束透过圆柱面透镜(2)形成扇形片光透过透明水槽(3)内的水，在白色油漆层(4)上投射形成水平光带；
2)从水槽前侧壁水平观察扇形片光在水中的光束径迹，调整扇形片光与半导体制冷片(5)间的相对位置，使扇形片光在水中的光束径迹水平通过半导体制冷片(5)的正上方，扇形片光所在平面与半导体制冷片(5)上表面平行，扇形片光厚度中心平面与半导体制冷片(5)上表面之间的距离h为3～5mm；
3)接通半导体制冷片(5)的电源，使半导体制冷片(5)的上表面为热面，观察白色油漆层(4)上水平光带的变化情况，分析扇形片光在白色油漆层(4)上投射的水平光带中部上凸与半导体制冷片(5)上方梯度温度场方向的关系。
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