CN105044032B - 液体折射率与温度关系的实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种液体折射率与温度关系的实验装置，在底座上设光具座，光具座左侧面上设外表面粘贴有坐标纸的光屏，光具座的右侧底座上设激光器支架，激光器支架上设半导体激光器和光束整形透镜组，在光具座上设水平截面为正三角形的透明水槽，透明水槽的中心线与光具座的中心线相重合，正三角形的底边在透明水槽的前侧壁上并与底座的前侧面平行，透明水槽的前侧壁上设安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片浸入透明水槽内的水中，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，透明水槽的前侧壁垂直方向上设1列浸入水中的温度传感器，透明水槽的前侧外壁上设通过导线与每个温度传感器相连的温度显示器。

Description

液体折射率与温度关系的实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于光学实验设备或装置技术领域，具体涉及液体折射率的实验仪器。

背景技术

介质折射率与温度的关系，是大学光学中的重要问题之一，更是大气光学、光学通信、海洋光学中重要的基础内容。研究表明，大气作为一种连续介质，其折射率是温度的函数，这主要是由于空气中的温度分布直接决定其密度分布，而介质密度与其折射率又直接相关，密度大，则折射率大；密度小，则折射率小。因此，大气低温区域的折射率大于高温区域的折射率，这一规律使光束通过非均匀温度区域时，向大气低温区域的弯曲传输。对于大气折射率与大气温度分布的关系，在课堂或实验室进行直观地实验演示，更有益于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低温区域弯曲传输，观察、理解大气折射率与大气温度分布的关系。透明固体介质折射率与温度关系的研究，在光纤通信领域具有重要意义，但在一般基础光学实验室不具备进行透明固体介质折射率与温度关系实验研究的仪器和条件。

水作为另一种流体，密度介于气体与固体之间，性质和运动规律与大气非常相近，水的热容量比空气大得多，与气体和透明固体材料相比，更容易在有限体积的水中建立高梯度温度场，在实验室条件下，容易实现介质折射率与温度关系的研究。但目前没有见到类似的用于学生实验的实验研究仪器。

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折射率与温度关系的实验装置。

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折射率与温度关系的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：在底座上设置有光具座，光具座左侧面上设置外表面粘贴有坐标纸的光屏，光具座的右侧底座上设置有激光器支架，激光器支架上设置有半导体激光器和光束整形透镜组，在光具座上设置有水平截面为正三角形的透明水槽，透明水槽内的中心线与光具座的中心线相重合，正三角形的底边在透明水槽的前侧壁上并与底座的前侧面平行，透明水槽的前侧壁上设置安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，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，透明水槽的前侧壁垂直方向上设置有1列浸入水中的温度传感器，透明水槽的前侧外壁上设置有通过导线与每个温度传感器相连的温度显示器。

本发明的半导体制冷片的水平中心面与透明水槽的水平中心面位于同一个水平平面内。

本发明的一个温度传感器与相邻一个温度传感器的中心线之间的距离为1cm，

本发明的光具座的几何形状为圆盘形。

本发明的光屏为圆弧形，光屏的圆心角为100°。

本发明的半导体制冷片的几何形状为长方体。

本发明的光束整形透镜组为：扩束棱镜、平凸柱透镜设置在激光器支架上，扩束棱镜、平凸柱透镜位于半导体激光器出射光束的方向上，激光束经过扩束棱镜扩束，再经过平凸柱透镜成为矩形片光。

使用上述液体折射率与温度关系的实验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，调整半导体激光器与光束整形透镜组的位置，使光束整形透镜组输出的矩形片光透过没有装水的透明水槽后，投射在光屏上的光带与水平面垂直，读取垂直光带在圆弧形光屏坐标纸竖直标度线上的圆周角值；

2)在透明水槽内注满水，在坐标纸上观察矩形片光透过透明水槽内的水折射投射的垂直光带，转动透明水槽，按照三棱镜折射率最小偏向角测量法，在坐标纸上找到与最小偏向角对应的垂直光带位置，读取当前垂直光带所处位置的圆周角值，步骤1)中坐标纸上垂直光带的圆周角值与本步骤中垂直光带圆周角值的差，为透明水槽中水处于当前温度状态矩形片光透过时的最小偏向角。

3)接通半导体制冷片电源5分钟后，在透明水槽内的水中形成下低上高连续变化的梯度温度，在温度显示器上观察透明水槽内水温在高度方向上的分布值，同时观察光屏上折射光带的形状变化，并在坐标纸上标记这时的光带形状。

4)在坐标纸上读取矩形片光中通过透明水槽内各个温度传感器所在高度处的光线在倾斜光带上对应投射点的圆周角值，按步骤2)的方法，得到矩形片光通过透明水槽各个温度传感器所在高度处水温对应的最小偏向角δ_min。用三棱镜折射率最小偏向角测量法公式

n＝2sin(30+δ_min/2)

计算出各个温度传感器所在位置的水温对应的折射率值n。

本发明将半导体制冷片浸入横截面为正三角形的水槽中，通电的半导体制冷片在水槽内水中形成温度上高下低的梯度温度分布。由于采用了三角形水槽，在正三角形水槽侧壁上沿垂直方向同一入射角的激光矩形片光，透过水槽内在沿高度方向温度梯度分布的水，在不同温度处形成不同最小偏向角，根据正三角形水槽不同高度处最小偏向角所对应的液体折射率与水槽内相应不同高度处水温的关系，研究液体折射率与随温度变化的规律。本发明具有结构简单、形成的光学现象明显、测量精度较高等优点，除用于定量测量实验外，可以直观地演示液体折射率与温度之间的关系。

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是图1、2中的光束整形透镜组4的结构示意图。

图4是矩形片光透过没有装水的透明水槽2投射在坐标纸10上光带的照片。

图5是矩形片光透过装有水的透明水槽2投射在坐标纸10上的光带照片。

图6是矩形片光透过透明水槽2内梯度温度水投射在坐标纸10上的光带照片。

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，本实施例的液体折射率与温度关系的实验装置由光屏1、透明水槽2、半导体制冷片3、光束整形透镜组4、半导体激光器5、激光器支架6、光具座7、温度显示器8、底座9、坐标纸10、温度传感器11、半导体制冷片支架12联接构成。

本实施例的底座9为矩形，在底座9上放置有光具座7，本实施例光具座7的几何形状为圆盘形，光具座7的左侧面上用胶粘贴有光屏1，光屏1为圆弧形透明有机玻璃板构成，光屏1的外表面粘结的坐标纸10，光屏1圆弧所对应的圆心角为100°，坐标纸10用于显示激光矩形片光折射后投射的光带。坐标纸10上竖直标度线之间距离按圆周角标注，用于确定激光矩形片光偏折后投射光带位置的圆周角，水平标度线标注高度。光具座7上放置有透明水槽2，本实施例透明水槽2的水平截面为正三角形，透明水槽2的中心线与光具座7的中心线相重合，正三角形的底边所在平面为透明水槽2的前侧壁、与底座9的前侧面平行，在透明水槽2内的前侧壁上用螺纹紧固联接件固定联接有半导体制冷片支架12，半导体制冷片支架12上用胶粘结有半导体制冷片3，半导体制冷片3及其连线作防水绝缘处理，半导体制冷片支架12和半导体制冷片3浸入水中，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，通过改变半导体制冷片3电源连线的连接极性，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、与透明水槽2的前侧壁平行，半导体制冷片3的水平中心面与透明水槽2的水平中心面位于同一个水平平面内，半导体制冷片3用于在透明水槽2内的水中建立梯度温度场。透明水槽2的前侧壁垂直方向上安装有1列温度传感器11，温度传感器11浸入水中，一个温度传感器11与相邻一个温度传感器11的中心线之间的距离为1cm，温度传感器11的具体个数应按照透明水槽2的高度来确定。透明水槽2的前侧外壁上安装有温度显示器8，温度显示器8通过导线与每个温度传感器11相连，温度传感器11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。在光具座7的右侧底座9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5和光束整形透镜组4，半导体激光器5可在半导体激光器5支架上转动，半导体激光器5用于产生激光，光束整形透镜组4用于将半导体激光器5出射的激光束整形成矩形片光，矩形片光投射在透明水槽2的一个侧壁上，透过透明水槽2折射后投射在坐标纸10上。

图3给出了本实施例光束整形透镜组4的结构示意图。在图3中，本实施例的光束整形透镜组4由扩束棱镜4－1、平凸柱透镜4－2联接构成。扩束棱镜4－1、平凸柱透镜4－2安装在激光器支架6上，扩束棱镜4－1、平凸柱透镜4－2位于半导体激光器5出射光束的方向上，激光束经过扩束棱镜4－1扩束，再经过平凸柱透镜4－2成为矩形片光。

使用上述液体折射率与温度关系的实验装置的实验方法由下述步骤组成：

1、接通半导体激光器5的电源，调整半导体激光器5与光束整形透镜组4的位置，使光束整形透镜组4输出的矩形片光透过没有装水的透明水槽2后，投射在坐标纸10上的光带与水平面垂直，如图4所示，读取垂直光带在坐标纸10上的圆周角值。

2、在透明水槽2内注满水，在坐标纸10上观察矩形片光透过透明水槽2内的水折射投射的垂直光带，转动透明水槽2，按照三棱镜折射率最小偏向角测量法，在坐标纸10上找到与最小偏向角对应的垂直光带位置，如图5所示，读取当前垂直光带所处位置的圆周角值，步骤1中，图4所示坐标纸10上垂直光带的圆周角值与本步骤中垂直光带圆周角值的差，即为透明水槽2中水处于当前温度状态矩形片光透过时的最小偏向角。

3、接通半导体制冷片3电源5分钟后，在透明水槽2内的水中形成下低上高连续变化的梯度温度，在温度显示器8上观察透明水槽2内的水温在高度方向上的分布值，同时观察坐标纸10上折射光带的形状变化，并在坐标纸10上标记这时的光带形状，如图6所示。比较图5、6可见，矩形片光透过透明水槽2内温度下低上高梯度变化的水体后，折射投射在坐标纸10上的光带变为倾斜光带，倾斜光带的中心点与图5所示垂直光带的中心点相重合，倾斜光带的上端向右位移，倾斜光带的下端向左位移。

4、在坐标纸10上读取矩形片光中通过透明水槽2内各个温度传感器11所在高度处的光线在图6所示倾斜光带上对应投射点的圆周角值，按步骤2的方法，得到矩形片光通过透明水槽2各个温度传感器11所在高度处水温对应的最小偏向角δ_min。用三棱镜折射率最小偏向角测量法公式

n＝2sin(30+δ_min/2)

计算出各个温度传感器11所在位置的水温对应的折射率值n。

本发明的工作原理如下：

在半导体制冷片3通电约5分钟后，观察到光屏1上原先垂直的折射投射光带成为倾斜的光带。由于这时透明水槽2内水的温度是下低上高的梯度变化，在4℃以上，水的温度低则折射率大，水的温度高则折射率小，透明水槽2内水的折射率同样是下大上小的梯度变化，由正三棱镜最小偏向角与折射率之间的关系(公式)知，三棱镜的折射率大，则最小偏向角大，三棱镜的折射率小，则最小偏向角小，因此使原先垂直折射光带的下端向左偏移，垂直光带的上端向右偏移，垂直光带变为倾斜光带，但倾斜光带上的每一个光点仍是矩形片光透明水槽2内不同高度、不同水温处的水后符合最小偏向角的光线形成的，因此采用三棱镜最小偏向角与折射率之间的关系(公式)，就可计算出各个温度传感器11所处位置水温对应的折射率值。

Claims (1)

1.一种使用液体折射率与温度关系的实验装置的实验方法，该实验装置为：在底座(9)上设置有光具座(7)，光具座(7)左侧面上设置外表面粘贴有坐标纸(10)的光屏(1)，光具座(7)的右侧底座(9)上设置有激光器支架(6)，激光器支架(6)上设置有半导体激光器(5)和光束整形透镜组(4)，在光具座(7)上设置有水平截面为正三角形的透明水槽(2)，透明水槽(2)的中心线与光具座(7)的中心线相重合，正三角形的底边在透明水槽(2)的前侧壁上并与底座(9)的前侧面平行，透明水槽(2)内的前侧壁上设置安装有半导体制冷片(3)的半导体制冷片支架(12)，半导体制冷片支架(12)和半导体制冷片(3)浸入水中，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，透明水槽(2)的前侧壁垂直方向上设置有1列浸入水中的温度传感器(11)，透明水槽(2)的前侧外壁上设置有通过导线与每个温度传感器(11)相连的温度显示器(8)；

其特征在于使用上述的液体折射率与温度关系的实验装置的实验方法，由下述步骤组成：

1)接通半导体激光器(5)的电源，调整半导体激光器(5)与光束整形透镜组(4)的位置，使光束整形透镜组(4)输出的矩形片光透过没有装水的透明水槽(2)后，投射在光屏(1)上的光带与水平面垂直，读取垂直光带在圆弧形光屏(1)坐标纸(10)竖直标度线上的圆周角值；

2)在透明水槽(2)内注满水，在坐标纸(10)上观察矩形片光透过透明水槽(2)内的水折射投射的垂直光带，转动透明水槽(2)，按照三棱镜折射率最小偏向角测量法，在坐标纸(10)上找到与最小偏向角对应的垂直光带位置，读取当前垂直光带所处位置的圆周角值，步骤1)中坐标纸(10)上垂直光带的圆周角值与本步骤中垂直光带圆周角值的差，为透明水槽(2)中水处于当前温度状态矩形片光透过时的最小偏向角；

3)接通半导体制冷片(3)电源5分钟后，在透明水槽(2)内的水中形成下低上高连续变化的梯度温度，在温度显示器(8)上观察透明水槽(2)内水温在高度方向上的分布值，同时观察光屏(1)上折射光带的形状变化，并在坐标纸(10)上标记这时的光带形状；

4)在坐标纸(10)上读取矩形片光中通过透明水槽(2)内各个温度传感器(11)所在高度处的光线在倾斜光带上对应投射点的圆周角值，按步骤2)的方法，得到矩形片光通过透明水槽(2)各个温度传感器(11)所在高度处水温对应的最小偏向角δ_min，用三棱镜折射率最小偏向角测量法公式

n＝2sin(30+δ_min/2)

计算出各个温度传感器(11)所在位置的水温对应的折射率值n。