CN104933931B - 液体中热流光分束效应实验装置与实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种液体中热流光分束效应实验装置，在底座上设置内装有水的透明水槽，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，半导体制冷片的前侧面为热面或冷面、且与水平面垂直，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，半导体制冷片上表面到水面的距离至少为30mm，在底座上透明水槽外的左侧设置安装有半导体激光器的半导体制冷片支架。实验方法采用一束激光中不同光线在方向相反的梯度温度场中不同的弯曲方向，实现了热流光分束效应的直观演示。本发明具有结构简单、建立梯度温度场的速度快、梯度温度场稳定等优点，演示效果明显、直观，可作为光学演示和实验仪器。
Description
技术领域
本发明属于光学实验教学仪器技术领域，具体涉及一种液体中热流分光效应实验装置。
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，光只有在均匀介质中才直线传播，在非均匀介质中光线弯曲传输。光线在非均匀介质中弯曲传输的规律在大气光学中早有定论，即光线向空间温度低的区域偏折，更确切的说是向折射率大的区域偏折。大气光学所研究的对象或者范围往往是大尺度的，大气中光线弯曲传输的现象也是通过长距离才显现，因此在实验室的空间中无法实验观察光线的弯曲传输现象。水作为另一种流体，其性质和运动规律与大气非常相近，研究光在温度非均匀分布水中的传输特性，对学生理解光在大气中的传输规律具有重要参考作用，特别能使学生更容易的观察到平行光束通过热流时的光分束效应和通过冷流时的聚光效应，这对学生深刻理解光在非均匀介质中的弯曲传输机理，具有重要意义。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、演示效果直观的液体中热流光分束效应实验装置。
本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用液体中热流光分束效应实验装置的实验方法。
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，半导体制冷片的前侧面为热面或冷面、且与水平面垂直，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，半导体制冷片上表面到水面的距离至少为30mm，在底座上透明水槽外的左侧设置安装有半导体激光器的激光器支架。
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、热面与透明水槽的长度侧壁平行。
使用上述液体中热流光分束效应实验装置的实验方法由下述步骤组成：
(1)调整半导体激光器的出射光方向，使半导体激光器出射的激光束经半导体制冷片前侧面的正上方并与前侧面平行，在距离半导体制冷片上表面5～10mm水中沿水平方向通过。
(2)接通半导体制冷片电源，通过电源连接极性调整，使半导体制冷片的前侧面为热面，观察激光器出射的激光束在半导体制冷片上方由一束激光分成两束的现象。
本发明将通电的半导体制冷片直立浸入水中，利用热面不断加热产生的热流薄层向上迁移过程中，热流薄层与两侧处于常温状态水进行热交换，在热流薄层两侧形成与热流薄层垂直且方向相反的梯度温度场。同时采用同一束激光中不同光线在方向相反的梯度温度场中不同的弯曲方向，实现了热流光分束效应的直观演示。这种结构的液体中热流光分束效应实验装置，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是本发明实施例1的结构示意图。
图2是半导体制冷片3通电后一条光束分成两条光束的照片。
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，本实施例的液体中热流光分束效应实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、半导体制冷片3、半导体制冷片支架4、底座5、激光器支架6联接构成。
在底座5上放置有透明水槽2，透明水槽2采用有机玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽2的几何形状为长方体，透明水槽2内装满水。在透明水槽2内的底部放置有半导体制冷片支架4，半导体制冷片支架4上用胶粘接有半导体制冷片3，半导体制冷片3的几何形状为长方体，半导体制冷片3的前侧面为热面，通过切换半导体制冷片3的电源连接极性，也可使半导体制冷片3的前侧面为冷面，半导体制冷片3的热面与水平面垂直，半导体制冷片3的热面与透明水槽2的前侧壁平行，半导体制冷片支架4和半导体制冷片3浸入水中，半导体制冷片3上表面到水面的距离为30mm。
在水槽2左侧底座5上放置有激光器支架6，激光器支架6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出射光透过水槽2的左侧壁，经半导体制冷片3正上方、且距离上表面h为8mm处的水中沿水平方向通过。
使用上述液体中热流光分束效应实验装置演示热流光分束效应的实验方法步骤如下：
1、调整半导体激光器1的出射光方向，使半导体激光器1出射的激光束经半导体制冷片3前侧面的正上方并与前侧面平行，在距离半导体制冷片3上表面h为8mm水中沿水平方向通过。
2、接通半导体制冷片3电源，通过电源连接极性的调整，使半导体制冷片3的前侧面为热面，观察激光器出射的激光在半导体制冷片3的上方由一束激光分成两束激光的现象，如图2所示，由图2可见，激光束在半导体制冷片3热面上方热流的两侧，形成不同方向的弯曲，产生了热流光分束效应。
实施例2
本实施例中，在透明水槽2内的底部放置有半导体制冷片支架4，半导体制冷片支架4上用胶粘接有半导体制冷片3，半导体制冷片3的几何形状为长方体，半导体制冷片3的前侧面为热面，半导体制冷片3的热面与水平面垂直，半导体制冷片3的热面与透明水槽2的长度前侧壁平行，半导体制冷片支架4和半导体制冷片3浸入水中，半导体制冷片3上表面到水面的距离为50mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用本实施例液体中热流光分束效应实验装置的实验方法与实施例1相同。
实施例3
在以上的实施例1、2中，液体中热流光分束效应实验装置与相应的实施例相同。
在使用液体中热流光分束效应实验装置实验方法步骤1中，调整半导体激光器1的出射光方向，使半导体激光器1出射的激光束经半导体制冷片3前侧面的正上方并与前侧面平行，在距离半导体制冷片3上表面h为5mm水中沿水平方向通过。步骤2与实施例1相同，由激光器出射的激光在半导体制冷片3的上方由一束激光分成两束。
实施例4
在以上的实施例1、2中，液体中热流光分束效应实验装置与相应的实施例相同。
在使用液体中热流光分束效应实验装置实验方法步骤1中，调整半导体激光器1的出射光方向，使半导体激光器1出射的激光束经半导体制冷片3前侧面的正上方并与前侧面平行，在距离半导体制冷片3上表面h为10mm水中沿水平方向通过。步骤2与实施例1相同，由激光器出射的激光在半导体制冷片3的上方由一束激光分成两束。
本发明的工作原理如下：
浸于水中的半导体制冷片3通电后，半导体制冷片3热面不断加热与之接触的水，加热升温后的水膨胀，密度变小，在浮力的作用下向上迁移，沿着半导体制冷片3的长度方向形成向上的热流薄层，热流薄层的厚度明显小于激光束的截面直径，在热流薄层向上迁移过程中同时与两侧的常温水进行热交换，在热流薄层两侧形成对称、方向与热流薄层垂直的负梯度温度场。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，在热流薄层两侧形成对称的折射率由小到大的梯度变化区域。由于光线在传输过程中总是向折射率大的区域偏折，因此，纵向通过热流薄层的激光束，在热流薄层两侧对称、方向相反的负梯度温度场中产生不同方向的偏折，将一束激光分成两束，从而可明显观察到热流光分束效应。
Claims (3)
1.一种液体中热流光分束效应实验装置，其特征在于：在底座(5)上设置内装有水的透明水槽(2)，透明水槽(2)内设置安装有半导体制冷片(3)的半导体制冷片支架(4)，半导体制冷片(3)的前侧面为热面或冷面、且与水平面垂直，半导体制冷片支架(4)和半导体制冷片(3)浸入水中，半导体制冷片(3)上表面到水面的距离至少为30mm，在底座(5)上透明水槽(2)外的左侧设置安装有半导体激光器(1)的激光器支架(6)。
2.根据权利要求1所述的液体中热流光分束效应实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)和半导体制冷片(3)的几何形状为长方体，半导体制冷片(3)的上表面与水平面平行、热面与透明水槽(2)的长度侧壁平行。
3.一种使用权利要求1所述的液体中热流光分束效应实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：
1)调整半导体激光器(1)的出射光方向，使半导体激光器(1)出射的激光束经半导体制冷片(3)前侧面的正上方并与前侧面平行，在距离半导体制冷片(3)上表面5～10mm水中沿水平方向通过；
2)接通半导体制冷片(3)电源，通过电源连接极性调整，使半导体制冷片(3)的前侧面为热面，观察激光器出射的激光束在半导体制冷片(3)上方由一束激光分成两束的现象。
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