CN104992600A - 在水中建立梯度温度场的实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种在水中建立梯度温度场的实验装置，在底座上设装满水的透明水槽，透明水槽内的前侧壁和后侧壁上至少设1个安装有1个半导体制冷片的半导体制冷片支架，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100mm，半导体制冷片的前侧面为热面或冷面、热面与水平面垂直、与透明水槽的前侧壁平行，前后两个半导体制冷片的水平中心平面在同一个水平平面内，透明水槽内前侧壁上设置1列温度传感器，透明水槽外前侧壁上设通过导线与温度传感器相连的温度显示器，透明水槽左侧底座上设置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射的激光束经两个半导体制冷片之间通过。

Description

在水中建立梯度温度场的实验装置
技术领域
本发明属于光学教学演示实验仪器技术领域，具体涉及到流体折射率与温度关系的实验演示装置。
背景技术
大气折射率随大气温度分布的变化规律，是大气光学的基础内容。研究表明，大气作为一种连续介质，其折射率是温度的函数，主要由于空气中的温度分布直接决定密度分布，而介质密度与折射率又直接相关，密度大、折射率大，密度小、折射率小。因此大气低温度区域的折射率大于高温度区域的折射率，这一规律使光束通过非均匀温度区域时，向大气低温度区域的弯曲传输。对于上述大气折射率与大气温度分布关系，在课堂或实验室进行直观的实验演示，更有益学生对这一物理规律的认识。但由于大气的热容量很小，在实验室的有限空间内很难建立大的空气梯度温度场，即学生无法在实验室通过光线向温度低区域弯曲传输，观察、理解大气折射率与大气温度分布的关系。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，容易在有限体积水中建立高梯度温度场，即容易通过观察光线在水中弯曲传输方向和高梯度温度场的温度分布值，使学生直观感受流体介质折射率与温度的关系。但目前没有见到类似的用于学生实验的实验仪器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的在水中建立梯度温度场的实验装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上放置有透明水槽，透明水槽内装满水，透明水槽内的前侧壁和后侧壁上至少设置有1个半导体制冷片支架，每个半导体制冷片支架上设置有1个半导体制冷片，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100mm，半导体制冷片的前侧面为热面或冷面，半导体制冷片的热面与水平面垂直、与透明水槽的前侧壁平行，前后两个半导体制冷片的水平中心平面在同一个水平平面内，在透明水槽前侧壁内垂直方向上设置1列温度传感器，透明水槽的前侧壁外设置有通过导线与温度传感器相连的温度显示器，在半导体制冷片长度方向的透明水槽左侧底座上设置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射的激光束透过透明水槽的左侧壁，经两个半导体制冷片之间通过。
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、热面与透明水槽的前侧壁平行。
本发明的1列温度传感器中的一个温度传感器与相邻一个温度传感器之间的距离为1mm。
本发明采用通电并浸于水中的半导体制冷片，在水槽中建立温度上高下低的度温度场，解决了传统方法难以在水中快速建立非均匀温度场的技术问题；同时基于光线传输过程中向折射率大的区域偏折的原理，通过观察激光束垂穿过水中梯度温度场后的弯曲径迹和水槽中的温度分布，简便、直观地演示了水的温度越低，折射率越大，即实现了流体折射率与温度关系的直观演示。本发明装置结构简单、成本低，方法简便、直观性好，特别适合在实验室和课堂条件下的实验演示。
附图说明
图1是本发明实施例1的主视图。
图2是图1的俯视图。
图3是激光束垂穿过水中梯度温度场后的弯曲径迹照片。
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、2中，本实施例的在水中建立梯度温度场的实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、半导体制冷片3、底座4、激光器支架5、半导体制冷片支架6、温度传感器7、温度显示器8联接构成。
在底座4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内的前侧壁上固定安装有1个半导体制冷片支架6，透明水槽2内的后侧壁上固定安装有1个半导体制冷片支架6，每个半导体制冷片支架6上固定安装有1个半导体制冷片3，半导体制冷片支架6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100mm，两个半导体制冷片3的几何形状为长方体，半导体制冷片3的前侧面为热面，通过电源连接极性的调整，也可使半导体制冷片3的前侧面为冷面，也可使一个半导体制冷片3的前侧面为热面、另一个半导体制冷片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，两个半导体制冷片3的水平中心平面在同一个水平平面内。在透明水槽2前侧壁内垂直方向上安装有一列温度传感器7，一个温度传感器7与相邻一个温度传感器7的之间的距离为1mm，温度传感器7的具体个数应按照透明水槽2的高度来确定。透明水槽2的前侧壁外安装有温度显示器8，温度显示器8通过导线与每个温度传感器7相连，温度传感器7将接收到不同深度水的温度信号转换成电信号输出到温度显示器8，温度显示器8显示出透明水槽2内不同深度处的水温。
在半导体制冷片3长度方向的水槽左侧底座4上放置有激光器支架5，激光器支架5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，通过转动半导体激光器1，实现调整激光出射方向，半导体激光器1出射的激光束透过透明水槽2的左侧壁，经两个半导体制冷片3之间通过，激光束垂穿过水中梯度温度场后的弯曲径迹照片如图3所示。由图3可见，激光束水平通过透明水槽2时，激光束向下弯曲，说明在水中建立了梯度温度场。
实施例2
在透明水槽2内的前侧壁上固定安装有1个半导体制冷片支架6，透明水槽2内的后侧壁上固定安装有1个半导体制冷片支架6，每个半导体制冷片支架6上固定安装有1个半导体制冷片3，半导体制冷片支架6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120mm，两个半导体制冷片3的几何形状以及在透明水槽2内的位置与实施例1相同，两个半导体制冷片3的前侧面为热面，前侧面与水平面垂直、与透明水槽2的长度前侧壁平行，两个半导体制冷片3的水平中心平面在同一个水平平面内。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
在以上的实施例1、2中，在透明水槽2内的前侧壁上固定安装有2个半导体制冷片支架6，透明水槽2内的后侧壁上固定安装有2个半导体制冷片支架6，每个半导体制冷片支架6上固定安装有1个半导体制冷片3，半导体制冷片支架6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与相应的实施例相同，4个半导体制冷片3的几何形状以及在透明水槽2内的位置与实施例1相同，4个半导体制冷片3的前侧面为热面，前侧面与水平面垂直、与透明水槽2的长度前侧壁平行，4个半导体制冷片3的水平中心平面在同一个水平平面内。
其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
本发明的工作原理如下：
在半导体制冷片3的电源断开时，透明水槽2内的水温处于常温状态，半导体激光器1出射的激光束在水中沿水平方向直线传输。半导体制冷片3接通电源，半导体制冷片3的热面加热靠近热面的水，水温升高、密度减小，在浮力的作用下向上连续迁移，同时半导体制冷片3冷面吸热，靠近冷面的水温降低，水温降低、密度增大，在重力作用下，连续向透明水槽2下部迁移，透明水槽2内水中逐渐形成上高下低的梯度温度分布，安装在透明水槽2前侧壁上不同深度的温度传感器7将接收到不同深度水的温度信号转换成电信号输出到温度显示器8，温度显示器8显示出透明水槽2内不同深度处水的温度，同时采用半导体激光器1出射的激光束，水平通过透明水槽2时向下(温度低处)弯曲，直观地演示了水温低，则折射率越大，实现了液体折射率与温度关系的直观演示。

Claims (3)

1.一种在水中建立梯度温度场的实验装置，其特征在于：在底座(4)上放置有透明水槽(2)，透明水槽(2)内装满水，透明水槽(2)内的前侧壁和后侧壁上至少设置有1个半导体制冷片支架(6)，每个半导体制冷片支架(6)上设置有1个半导体制冷片(3)，半导体制冷片支架(6)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100mm，半导体制冷片(3)的前侧面为热面或冷面，半导体制冷片(3)的热面与水平面垂直、与透明水槽(2)的前侧壁平行，前后两个半导体制冷片(3)的水平中心平面在同一个水平平面内，在透明水槽(2)前侧壁内垂直方向上设置1列温度传感器(7)，透明水槽(2)的前侧壁外设置有通过导线与温度传感器(7)相连的温度显示器(8)，在半导体制冷片(3)长度方向的透明水槽(2)左侧底座(4)上设置安装有半导体激光器(1)的激光器支架(5)，半导体激光器(1)出射的激光束透过水槽的左侧壁，经两个半导体制冷片(3)之间通过。
2.根据权利要求1所述的在水中建立梯度温度场的实验装置，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)的前侧壁平行。
3.根据权利要求1所述的在水中建立梯度温度场的实验装置，其特征在于：所述的1列温度传感器(7)中的一个温度传感器(7)与相邻一个温度传感器(7)之间的距离为1mm。
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