CN105047054A - 光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置与实验方法，在底座上设透明水槽，透明水槽长度方向的右外侧面上设坐标纸，透明水槽内前侧壁和后侧壁上至少设1个半导体制冷片支架，每个半导体制冷片支架上设1个浸入水中的半导体制冷片，半导体制冷片的前侧面为热面与水平面垂直、与透明水槽的前侧壁平行，前侧壁半导体制冷片支架上的半导体制冷片和后侧壁上半导体制冷片支架的半导体制冷片关于透明水槽的长度方向垂直中心平面相对称，相对称的两个半导体制冷片的水平中心平面在同一个水平平面内；透明水槽外左侧底座上设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激光器出射的激光束在同一个平面内相垂直。

Description

光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于光学实验教学设备或装置技术领域，具体涉及到演示光线传输的实验演示仪器。

背景技术

光线在温度非均匀介质中弯曲传输的机理，已为大气物理专业学生所熟知，其本质是介质中温度的非均匀，造成其折射率的非均匀分布。由于光在折射率不均匀介质中传输时，总是向折射率大的区域偏折，使得光线的传输径迹变为曲线，因此在非均匀温度场中观察物体，往往看到的是实物的虚像，自然界最常见的现象就是海市蜃楼。空气中温度非均匀分布的现象普遍存在，但海市蜃楼(上蜃景和下蜃景)现象并不常见，其主要原因是与光线穿过空气中非均匀温度场时与温度变化方向之间的角度有直接关系，当光线方向与空气中温度变化方向相同时并不会发生偏折，只有光线与空气中的温度变化方向趋于垂直时，光线的弯曲度达到最大，这时才容易观察到海市蜃楼现象。因此光线在大气中传输时的弯曲度与大气温度变化方向的关系，是大气光学的重要研究内容。但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和弯曲度大小。因此，以空气为介质的光线弯曲传输现象在实验室实现难度很大。如何在实验室的有限空间内，低成本地演示光线在同一介质非均匀温度场中的弯曲传输，特别是研究光线弯曲度与温度梯度方向的关系，对大气光学、激光雷达、激光制导、激光遥感等专业课的学习具有重要意义。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水中的弯曲传输方向与温度梯度方向的关系，但目前没有见到类似的用于学生实验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、演示效果直观的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用光线弯曲度与温度梯度方向关系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：在底座上设置有透明水槽，透明水槽的右外侧面上设置有坐标纸，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个浸入水中的半导体制冷片，半导体制冷片的前侧面为热面、热面与水平面垂直、与透明水槽的前侧壁平行，前侧壁半导体制冷片支架上的半导体制冷片和后侧壁上半导体制冷片支架的半导体制冷片关于透明水槽的长度方向垂直中心平面相对称，相对称的两个半导体制冷片的水平中心平面在同一个水平平面内。在透明水槽外左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在半导体激光器激光出射光方向上的圆柱面透镜，圆柱面透镜的中心线与半导体激光器出射的激光束在同一个平面内相互垂直。

本发明的圆柱面透镜的直径为3～5mm。

本发明的透明水槽的几何形状为长方体，半导体制冷片的几何形状是体积相等的长方体。

本发明的半导体制冷片上表面到水面的距离至少为80mm。

使用上述光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法由下述步骤组成：

1、接通半导体激光器电源，调整半导体激光器和圆柱面透镜的位置，使出射的一维发散激光扇形片光发散角的平分线与水槽的纵向中心线相重合，扇形片光在坐标纸上投射的直线光带与透明水槽右侧壁的一个对角线重合，在坐标纸上标记直线光带。

2、接通半导体制冷片电源，30～40分钟后，观察坐标纸上直线光带的弯曲情况，并在坐标纸上标记弯曲光带。

3、在同一坐标下，观察、比较步骤1和步骤2中标记的两条光带形状差异，读取同一横坐标上对应的两条光带的纵坐标差值，观察两条光带纵中坐标最大差值所对应的横坐标值，分析判断两条光带中纵坐标最大差值在激光扇形片光中所对应光线与温度梯度方向之间的夹角，即在坐标纸上的入射角。

由于本发明采用通电并浸于水中的半导体制冷片，在透明水槽中建立了温度上高下低的梯度温度场，解决了传统方法难以在水中建立梯度温度场的技术问题；并采用了激光扇形片光中不同光线通过相同温度梯度方向的水体时，与相同梯度温度方向之间的夹角不同，而形成不同的弯曲度，直观地演示了只有光线与梯度温度方向垂直传输时，光线的弯曲度最大。本发明具有结构简单、产品成本低，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是激光扇形片光通过水槽内温度均匀的水体在坐标纸4上投射的直线光带照片。

图4是激光扇形片光通过水槽内温度梯度分布的水体在坐标纸4上投射的弯曲光带照片。

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，本实施例的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置由半导体激光器1、透明水槽2、半导体制冷片3、坐标纸4、底座5、圆柱面透镜6、激光器支架7、半导体制冷片支架8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，透明水槽2的右外侧面上粘贴有坐标纸4，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8，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8，每个半导体制冷片支架8上用胶粘接有1个半导体制冷片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8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，2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，通过改变电源的连接极性，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，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在透明水槽2内关于透明水槽2的长度方向垂直中心平面相对称，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。半导体制冷片3通电后，经过一段时间，在水中建立起梯度温度场，温度梯度方向与水平面垂直。

在底座5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6，圆柱面透镜6的直径为4mm，圆柱面透镜6在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜6的中心线与半导体激光器1出射的激光束的中心线在同一个平面内相互垂直。半导体激光器1出射的激光束透过圆柱面透镜6后形成射向透明水槽2的扇形片光，扇形片光从两个没有通电的半导体制冷片3之间的水中通过，投射在透明水槽2右侧壁的坐标纸4上，在坐标纸4上形成直线光带，直线光带与透明水槽2右侧壁的一个对角线相重合。

使用上述光线传输弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法步骤如下：

1、接通半导体激光器1电源，调整半导体激光器1和圆柱面透镜6的位置，使出射的一维发散的激光扇形片光发散角的平分线与水槽的纵向中心线相重合，扇形片光在坐标纸4上投射的直线光带与透明水槽2右侧壁的一个对角线重合，在坐标纸4上标记直线光带，如图3所示。

2、接通半导体制冷片3电源，30～40分钟后，观察坐标纸4上直线光带的弯曲情况，并在坐标纸4上标记弯曲光带，如图4所示。从图3、4的比较和实验过程可知，弯曲光带是直线光带上各个光点下移形成的，但每个光点的位移大小不同，中部下移位移量大，而直线光带两端的下移位移量小，说明激光扇形片光中每一束光线，向下弯曲的程度不同。

3、在同一坐标下，观察、比较图3所示的直线光带和图4所示的弯曲光带，读取同一横坐标上对应的弯曲光带与直线光带的纵坐标差值，分析两条光带中纵坐标最大差值处所对应直线光带中的光点在激光扇形片光中所对应光线与温度梯度方向之间的夹角大小。比较图3、4可见，弯曲光带与直线光带在同一横坐标上对应的纵坐标差值在直线光带的中点处最大，而直线光带中点处对应的光线为激光扇形片光发散角的平分线上的光线，扇形片光发散角的平分线上的光线垂直入射在坐标纸4上，即与水的温度梯度方向之间夹角为90°，说明光线通过梯度温度场，光线与温度梯度方向垂直时，光线的弯曲程度最大。

实施例2

透明水槽2的几何形状和所制备的材料与实施例1相同。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8，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8，每个半导体制冷片支架8上用胶粘接有1个半导体制冷片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8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80mm，两个导体制冷片的几何形状以及安装在透明水槽2内的位置与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例光线传输弯曲度与温度梯度方向关系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，在底座5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上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜6，圆柱面透镜62的直径为3mm，圆柱面透镜6在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜6的中心线与激光器出射的激光束的中心线在同一个平面内相互垂直。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

使用本实施例光线传输弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1、2中，在底座5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上安装有半导体激光器1和圆柱面透镜6，圆柱面透镜62的直径为5mm，圆柱面透镜6在半导体激光器1的激光出射光方向上，圆柱面透镜6的中心线与激光器出射的激光束的中心线在同一个平面内相互垂直。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

使用本实施例光线传输弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～4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8，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8，每个半导体制冷片支架8上用胶粘接有1个半导体制冷片3，半导体制冷片支架8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的几何形状为体积相等的长方体，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、与透明水槽2的长度前侧壁平行，4个半导体制冷片3在透明水槽2内关于透明水槽2的长度方向垂直中心平面相对称，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。

其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

使用本实施例光线传输弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

接通半导体制冷片3的电源，30～40分钟后，在透明水槽2内水中形成温度上高下低的梯度温度场，温度梯度方向垂直于水平面、温度梯度线性变化。激光束通过圆柱面透镜6后形成一维发散的激光扇形片光，激光扇形片光通过水槽内温度梯度分布的水体后，投射到坐标纸4上。由于一维发散的激光扇形片光中的不同光线，在垂直于水平面的平面(如右侧壁坐标纸4)上的入射角不同，只有激光扇形片光中发散角平分线上的光线，即与水槽的纵向中心线相重合的光线，垂直入射在坐标纸4上，激光扇形片光中其它光线沿透明水槽2右侧壁的对角线一维发散入射在坐标纸4上，并且在坐标纸4上的入射角，随着其它光线与激光扇形片光发散角平分线夹角的增大而逐渐增大，即光线与垂直的温度梯度方向间的夹角逐渐变小或者增大。从实验结果看出，只有光线与水中梯度温度方向垂直传输时，光线向下(温度低处)的弯曲程度最大，而光线与水中梯度温度方向间夹角大于或小于90°时，光线向下的弯曲程度变小。这种现象完全符合大气光学中光线弯曲传输的相关理论，因此采用本实验装置，直观地演示了光线在梯度温度场在传输时的弯曲度，与光线同温度梯度方向间夹角的关系。

Claims (5)

1.一种光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置，其特征在于：在底座(5)上设置有透明水槽(2)，透明水槽(2)的右外侧面上设置有坐标纸(4)，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(8)，每个半导体制冷片支架(8)上设置有1个浸入水中的半导体制冷片(3)，半导体制冷片(3)的前侧面为热面、热面与水平面垂直、与透明水槽(2)的前侧壁平行，前侧壁半导体制冷片支架(8)上的半导体制冷片(3)和后侧壁上半导体制冷片支架(8)的半导体制冷片(3)关于透明水槽(2)的长度方向垂直中心平面相对称，相对称的两个半导体制冷片(3)的水平中心平面在同一个水平平面内；在透明水槽(2)外左侧底座(5)上设置有激光器支架(7)，激光器支架(7)上设置有半导体激光器(1)和在半导体激光器(1)激光出射光方向上的圆柱面透镜(6)，圆柱面透镜(6)的中心线与半导体激光器(1)出射的激光束在同一个平面内相互垂直。

2.根据权利要求1所述的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置，其特征在于：所述的圆柱面透镜(6)的直径为3～5mm。

3.根据权利要求1所述的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置，其特征在于：所述的透明水槽(2)的几何形状为长方体，半导体制冷片(3)的几何形状是体积相等的长方体。

4.根据权利要求1或3所述的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置，其特征在于：所述的半导体制冷片(3)上表面到水面的距离至少为80mm。

5.一种使用权利要求1所述的光线弯曲度与温度梯度方向关系实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)接通半导体激光器(1)电源，调整半导体激光器(1)和圆柱面透镜(6)的位置，使出射的一维发散激光扇形片光发散角的平分线与水槽的纵向中心线相重合，扇形片光在坐标纸(4)上投射的直线光带与透明水槽(2)右侧壁的一个对角线重合，在坐标纸(4)上标记直线光带；

2)接通半导体制冷片(3)电源，30～40分钟后，观察坐标纸(4)上直线光带的弯曲情况，并在坐标纸(4)上标记弯曲光带；

3)在同一坐标下，观察、比较步骤1)和步骤2)中标记的两条光带形状差异，读取同一横坐标上对应的两条光带的纵坐标差值，观察两条光带纵中坐标最大差值所对应的横坐标值，分析判断两条光带中纵坐标最大差值在激光扇形片光中所对应光线与温度梯度方向之间的夹角，即在坐标纸(4)上的入射角。