CN105023490B - 液体中冷流聚光效应实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种液体中冷流聚光效应实验装置及实验方法，在底座上设置装有水的透明水槽，透明水槽右外侧面上设置有坐标纸，在透明水槽外的后侧底座上设置有半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设置有两个浸入水中的半导体制冷片，两个半导体制冷片的垂直中心平面相平行、相对面为与水平面垂直的冷面，在底座上透明水槽外的左侧设置安装有两个半导体激光器的激光器支架，两个半导体激光器出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片的垂直中心平面内，同时从距离两块半导体制冷片的下表面5～10mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸上。

Description

液体中冷流聚光效应实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于光学实验教学仪器技术领域，具体涉及到液体中冷流聚光效应实验装置。

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。而实际上光的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，也就是说，光在非均匀介质中传输时，有可能出现弯曲传输的现象。在自然界，光在空间传输时的弯曲现象，与空间温度的分布场有直接关系，这在学术界早有定论，即由于大气中温度场的不均匀，造成大气密度分布的不均匀，从而使大气折射率的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的是弯曲而非折线传输。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场的变化方向不与光线传输方向平行；同时由于大气中温度的变化梯度很小，光线必须经过长距离的传输，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，特别是平行激光束通过冷流时的相向弯曲的聚光效应的实验演示，对学生深刻理解光在的弯曲传输机理，以及自聚焦透镜的工作原理，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冷流聚光效应实验装置。

本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种使用液体中冷流聚光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：在底座上设置装有水的透明水槽，透明水槽右外侧面上设置有坐标纸，在透明水槽外的后侧底座上设置有半导体制冷片支架，半导体制冷片支架上设置有2个浸入水中的半导体制冷片，两个半导体制冷片的垂直中心平面相平行、相对面为与水平面垂直的冷面，在底座上透明水槽外的左侧设置安装有两个半导体激光器的激光器支架，两个半导体激光器出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片的垂直中心平面内，同时从距离两块半导体制冷片的下表面5～10mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸上。

本发明的两个半导体制冷片冷面之间的距离为2～3mm。

本发明的两个半导体制冷片的几何形状为相等的长方体，两个半导体制冷片的下表面到透明水槽底部的距离至少为40mm。

本发明的透明水槽的几何形状为长方体。

使用上述的液体中冷流聚光效应实验装置的实验方法由下述步骤组成：

(1)调整两块半导体制冷片冷面之间的距离为2～3mm，并调整半导体激光器的出射光方向，使两个半导体激光器出射光束在同一水平水平面内平行，同时从距离两块半导体制冷片的下表面5～10mm处水平平行通过，投射在坐标纸上，形成两个光点。

(2)接通半导体制冷片电源，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片的相对面为冷面，观察白色油漆层上两个光点的移动情况，在坐标纸上两个光点相向移动并聚为一个光点。

本发明将通电的半导体制冷片直立悬挂于水中，半导体制冷片冷面不断吸热产生的冷流薄层向水槽底部迁移过程中，冷流薄层与两侧处于常温状态的水之间进行热交换形成对称、方向相反且与冷流薄层垂直的梯度温度场，使得冷流薄层两侧水的折射率对称递减梯度变化，同时采用两束平行激光束在冷流薄层两侧方向相反的梯度温度场中产生相向弯曲汇聚为一点，实现了冷流聚光的直观演示。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、演示直观等优点，可作为液体中冷流聚光效应的实验演示仪器。

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是半导体制冷片4通电前两束平行激光束在坐标纸5上投射的两个光点照片。

图4是半导体制冷片4通电后两束平行激光束在坐标纸5上汇聚为一点的照片。

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、2中，本实施例的液体中冷流聚光效应实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、半导体制冷片支架3、半导体制冷片4、坐标纸5、底座6、激光器支架7联接构成。

在底座6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，透明水槽2右外侧面上粘贴有坐标纸5，坐标纸5用于显示激光束的投射光斑。在透明水槽2外的后部底座6上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支架3上悬挂有2个半导体制冷片4，半导体制冷片4浸入水中，两个半导体制冷片4为几何形状相同、大小相等的长方体，两个半导体制冷片4的垂直中心平面相平行，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，两个半导体制冷片4冷面之间的距离为2.5mm，两个半导体制冷片4的冷面与水平面垂直、冷面与透明水槽2的前侧壁平行，两个半导体制冷片4的上表面与水平面平行、下表面到透明水槽2底部的距离为60mm。

在底座6上透明水槽2外的左侧放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有两个半导体激光器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，两个半导体激光器1出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片4的垂直中心平面内，两个半导体激光器1出射的两激光束之间的距离为L，同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为8mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸5上，形成两个光点。

使用本实施例液体中冷流聚光效应实验装置的实验方法步骤如下：

1、调整两块半导体制冷片4冷冷面之间的距离为2.5mm，并调整半导体激光器1的出射光方向，使两个半导体激光器1出射光束在同一水平水平面内平行，同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为8mm处水平平行通过，投射在坐标纸5上，形成两个光点，如图3所示。

2，接通半导体制冷片4电源，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，观察坐标纸5上两个光点相向移动并聚为一个光点的过程，两个光点聚为一个光点如图4所示，由图3、4比较可见，图4中的光点是由图3中两个光点的相向移动形成。

实施例2

在透明水槽2外的后部底座6上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支架3上悬挂有2个半导体制冷片4，半导体制冷片4浸入水中，两个半导体制冷片4为几何形状相等的长方体，两个半导体制冷片4的垂直中心平面相平行，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，两个半导体制冷片4冷面之间的距离为2mm，两个半导体制冷片4的冷面与水平面垂直、冷面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平行、下表面到透明水槽2底部的距离为60mm。

在底座6上透明水槽2外的左侧放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有两个半导体激光器1，两个半导体激光器1出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片4的垂直中心平面内，同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为5mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸5上。形成两个光点。

使用本实施例的液体中冷流聚光效应实验装置的实验方法步骤如下：

1、调整两块半导体制冷片4之间的距离为2mm，并调整半导体激光器1的出射光方向，使两个半导体激光器1出射光束在同一水平水平面内平行，同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为5mm处水平平行通过，投射在坐标纸5上，形成两个光点。

2、接通半导体制冷片4电源，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，观察坐标纸5上两个光点的移动情况，在白色油漆层上两个光点相向移动并聚为一个光点。

实施例3

在透明水槽2外的后部底座6上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支架3上悬挂有2个半导体制冷片4，半导体制冷片4浸入水中，两个半导体制冷片4为几何形状相等的长方体，两个半导体制冷片4的垂直中心平面相平行，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，两个半导体制冷片4之间的距离为3mm，两个半导体制冷片4的冷面与水平面垂直、冷面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平行、下表面到透明水槽2底部的距离为60mm。

在底座6上透明水槽2外的左侧放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有两个半导体激光器1，两个半导体激光器1出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片4的垂直中心平面内，同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为10mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸5上，形成两个光点。

使用本实施例的液体中冷流聚光效应实验装置的实验方法步骤如下：

1、调整两块半导体制冷片4之间的距离为3mm，并调整半导体激光器1的出射光方向，使两个半导体激光器1出射光束在同一水平水平面内平行，分别位于两个半导体制冷片4的垂直中心平面内，并同时从距离两块半导体制冷片4的下表面h为10mm处水平平行通过，投射在坐标纸5上，形成两个光点。

2、接通半导体制冷片4电源，使两个半导体制冷片4的冷面相对，观察白色油漆层上两个光点的移动情况，在坐标纸5上两个光点相向移动并聚为一个光点。

实施例4

在以上的实施例1～3中，在透明水槽2外的后部底座6上放置有半导体制冷片支架3，半导体制冷片支架3上悬挂有2个半导体制冷片4，半导体制冷片4浸入水中，两个半导体制冷片4为几何形状相等的长方体，两个半导体制冷片4的垂直中心平面相平行，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片4的相对面为冷面，两个半导体制冷片4冷面之间的距离与相应的实施例相同，两个半导体制冷片4的冷面与水平面垂直、冷面与透明水槽2的前侧壁平行、上表面与水平面平行、下表面到透明水槽2底部的距离为40mm。

其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

其实验方法与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

接通浸于水中的两个半导体制冷片4的电源，两个半导体制冷片4冷面相对，半导体制冷片4的冷面不断吸热，与冷面接触的水被吸热后温度下降、密度增大，在重力的作用下向迁移，两个半导体制冷片4上方的水向下流动又补充到半导体制冷片4的冷面上，在两个半导体制冷片4的垂直中心面上形成向下流动的冷流薄层，冷流薄层与两侧处于常温状态的水进行热交换，在冷流薄层两侧形成对称、方向相反且与冷流薄层垂直的梯度温度场。水在4℃以上的密度与温度成反比，水的密度大、折射率大，即水的温度低、折射率大，在冷流薄层两侧形成对称的折射率由大到小梯度变化区域。由于光线在传输过程中总是向折射率大的区域偏折，因此纵向通过冷流薄层两侧对称且方向相反的梯度温度场的两激光束，产生相向偏折，汇聚成一个光点，以此直观演示了液体中的冷流聚光效应。

Claims (6)

1.一种液体中冷流聚光效应实验装置，其特征在于：在底座(6)上设置装有水的透明水槽(2)，透明水槽(2)右外侧面上设置有坐标纸(5)，在透明水槽(2)外的后侧底座(6)上设置有半导体制冷片支架(3)，半导体制冷片支架(3)上设置有两个浸入水中的半导体制冷片(4)，两个半导体制冷片(4)的垂直中心平面相平行、相对面为与水平面垂直的冷面，在底座(6)上透明水槽(2)外的左侧设置安装有两个半导体激光器(1)的激光器支架(7)，两个半导体激光器(1)出射的两束激光在同一个水平面内平行、分别位于两个半导体制冷片(4)的垂直中心平面内，同时从距离两块半导体制冷片(4)的下表面5～10mm处水平平行通过，投射在相对侧壁的坐标纸(5)上。

2.根据权利要求1所述的液体中冷流聚光效应实验装置，其特征在于：所述的两个半导体制冷片(4)冷面之间的距离为2～3mm。

3.根据权利要求1或2所述的液体中冷流聚光效应实验装置，其特征在于：所述的两个半导体制冷片(4)的几何形状为相等的长方体，两个半导体制冷片(4)的下表面到透明水槽(2)底部的距离至少为40mm。

4.根据权利要求1所述的液体中冷流聚光效应实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)的几何形状为长方体。

5.根据权利要求3所述的液体中冷流聚光效应实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)的几何形状为长方体。

6.一种使用权利要求1所述的液体中冷流聚光效应实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)调整两块半导体制冷片(4)冷面之间的距离为2～3mm，并调整半导体激光器(1)的出射光方向，使两个半导体激光器(1)出射光束在同一水平水平面内平行，同时从距离两块半导体制冷片(4)的下表面5～10mm处水平平行通过，投射在坐标纸(5)上，形成两个光点；

2)接通半导体制冷片(4)电源，通过电源连接极性的调整，使两个半导体制冷片(4)的相对面为冷面，观察白色油漆层上两个光点的移动情况，在坐标纸(5)上两个光点相向移动并聚为一个光点。