光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置與實(shí)驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到演示直線光彎曲的實(shí)驗(yàn)儀器。
【背景技術(shù)】
[0002]光直線傳播概念的形成，始于人們?cè)谟邢薹秶鷥?nèi)的直觀感受以及中小學(xué)幾何光學(xué)中建立的光直線傳播的“公理性”概念。而實(shí)際上光直線傳播是有條件的，即只有在均勻介質(zhì)中才是直線傳播的。光在大氣中傳輸問題的研宄表明，當(dāng)光在大氣中長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，往往出現(xiàn)光線彎曲傳輸現(xiàn)象。對(duì)光在大氣中曲線傳輸想象產(chǎn)生的機(jī)理，學(xué)術(shù)界早有定論，即由于大氣中溫度場(chǎng)的不均勻，造成大氣密度分布不均勻，從而使大氣折射率分布出現(xiàn)不均勻狀態(tài)。大氣折射率分布的不均勾，必然使光線通過時(shí)產(chǎn)生折射，由于大氣溫度場(chǎng)的分布從宏觀角度看，是漸變而非突變。顯然，大氣折射率的分布，也是漸變的。因此，光線在穿過大氣傳輸時(shí)出現(xiàn)彎曲而非折線傳輸。光線在大氣中傳輸時(shí)彎曲現(xiàn)象的顯現(xiàn)，必須滿足兩個(gè)條件，即大氣折射率的變化梯度方向與光線傳輸方向成一定的角度，也就是大氣的溫度梯度的變化方向不與光線傳輸方向平行；其次，由于大氣中溫度的變化梯度很小，光線必須經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸，使得偏差積累，才能明顯看到光線彎曲方向。由于空氣的熱容量很小，在實(shí)驗(yàn)室有限的空間內(nèi)很難建立起大的空氣梯度溫度場(chǎng)，因此在實(shí)驗(yàn)室模擬演示光線在溫度非均勻大氣中的彎曲傳輸現(xiàn)象幾乎沒有可能，使得學(xué)生對(duì)這一光學(xué)現(xiàn)象的理解也就只能憑借想象力。水作為另一種流體，其性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與大氣非常相近，同時(shí)水的熱容量比空氣大得多，容易在有限體積的水中建立高梯度溫度場(chǎng)，即容易通過觀察光線在非均勻溫度分布水中的彎曲傳輸方向和相應(yīng)的溫度場(chǎng)的溫度分布值，使學(xué)生直接觀察光線在已知不同方向梯度溫度場(chǎng)中的彎曲傳輸情況。但目前未見到相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、演示效果直觀的光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種使用光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置的實(shí)驗(yàn)方法。
[0005]解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在底座上設(shè)置內(nèi)裝有水的透明水槽，透明水槽的右外側(cè)面上噴涂有白色油漆層，透明水槽內(nèi)設(shè)置安裝有半導(dǎo)體制冷片的半導(dǎo)體制冷片支架，半導(dǎo)體制冷片的上表面為冷面，半導(dǎo)體制冷片支架和半導(dǎo)體制冷片浸入水中，在底座上透明水槽外的左側(cè)設(shè)置安裝有半導(dǎo)體激光器和圓柱面透鏡的激光器支架，圓柱面透鏡的中心線與水平面垂直、且與激光器出射的激光束在同一個(gè)豎直平面內(nèi)相互垂直。
[0006]本發(fā)明的透明水槽和半導(dǎo)體制冷片的幾何形狀為長(zhǎng)方體，半導(dǎo)體制冷片的上表面與水平面平行、前側(cè)面與透明水槽的前側(cè)壁平行。
[0007]本發(fā)明的圓柱面透鏡的直徑為3?5mm。
[0008]使用上述光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置的實(shí)驗(yàn)方法由下述步驟組成。
[0009]1、接通半導(dǎo)體激光器的電源，同步調(diào)整半導(dǎo)體激光器的出射光方向和圓柱面透鏡的位置，使半導(dǎo)體激光器出射的激光束透過圓柱面透鏡形成扇形片光透過透明水槽內(nèi)的水，在白色油漆層上投射形成水平光帶。
[0010]2、從水槽前側(cè)壁水平觀察扇形片光在水中的光束徑跡，調(diào)整扇形片光與半導(dǎo)體制冷片間的相對(duì)位置，使扇形片光在水中的光束徑跡水平通過半導(dǎo)體制冷片的正上方，扇形片光所在平面與半導(dǎo)體制冷片上表面平行，扇形片光厚度中心平面與半導(dǎo)體制冷片上表面之間的距離h為2?2.5謹(jǐn)。
[0011]3、接通半導(dǎo)體制冷片的電源，半導(dǎo)體制冷片的上表面為冷面，觀察白色油漆層上水平光帶的變化情況，分析扇形片光在白色油漆層上投射的水平光帶中部下凹與半導(dǎo)體制冷片上方梯度溫度場(chǎng)方向的關(guān)系。
[0012]本發(fā)明將通電的半導(dǎo)體制冷片水平浸入水中，在半導(dǎo)體制冷片上方的水中建立正梯度溫度場(chǎng)，同時(shí)使激光扇形片光水平通過半導(dǎo)體制冷片上方的正梯度溫度場(chǎng)，處于正梯度溫度場(chǎng)中的激光扇形片光向下彎曲，白色油漆層上形成的水平光帶中部下凹，直觀地演示了正溫度梯度場(chǎng)中光線的彎曲方向。這種結(jié)構(gòu)的正梯度溫度場(chǎng)中光線彎曲方向演示裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建立梯度溫度場(chǎng)的速度快、梯度溫度場(chǎng)穩(wěn)定、演示效果明顯、直觀，可作為光學(xué)演示和實(shí)驗(yàn)儀器。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是半導(dǎo)體制冷片5通電前激光扇形片光投射在白色油漆層4上的水平光帶照片。
[0015]圖3是半導(dǎo)體制冷片5通電后激光扇形片光投射在白色油漆層4上的水平光帶中部下凹的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
[0017]實(shí)施例1
[0018]在圖1中，本實(shí)施例的光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置由半導(dǎo)體激光器1、圓柱面透鏡2、透明水槽3、白色油漆層4、半導(dǎo)體制冷片5、半導(dǎo)體制冷片支架6、底座7、激光器支架8聯(lián)接構(gòu)成。
[0019]在底座7上放置有透明水槽3，透明水槽3采用有機(jī)玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽3的幾何形狀為長(zhǎng)方體，透明水槽3內(nèi)裝滿水，透明水槽3的右外側(cè)面上噴涂有白色油漆層4，白色油漆層4用于顯示投射光帶的形狀。在透明水槽3內(nèi)的底部放置有半導(dǎo)體制冷片支架6，半導(dǎo)體制冷片支架6上用膠粘接聯(lián)接有半導(dǎo)體制冷片5，半導(dǎo)體制冷片支架6和半導(dǎo)體制冷片5浸入水中，半導(dǎo)體制冷片5的幾何形狀為長(zhǎng)方體，半導(dǎo)體制冷片5的上表面為冷面，半導(dǎo)體制冷片5的上表面與水平面平行，半導(dǎo)體制冷片5的前側(cè)面與透明水槽3的前側(cè)面平行。
[0020]在底座7上透明水槽3的左側(cè)放置有激光器支架8，激光器支架8上安裝有半導(dǎo)體激光器1，半導(dǎo)體激光器I可在半導(dǎo)體激光器I支架上轉(zhuǎn)動(dòng)，半導(dǎo)體激光器I用于產(chǎn)生激光，半導(dǎo)體激光器I支架上固定安裝有圓柱面透鏡2，圓柱面透鏡2的直徑為4_，圓柱面透鏡2在半導(dǎo)體激光器I的激光出射光方向上，圓柱面透鏡2的中心線與水平面垂直、與激光器出射的激光束在同一個(gè)豎直平面內(nèi)相互垂直。半導(dǎo)體激光器I出射的激光束透過圓柱面透鏡2后形成射向透明水槽3的扇形片光，扇形片光所在平面與半導(dǎo)體制冷片5上表面平行，扇形片光厚度中心平面與半導(dǎo)體制冷片5上表面之間的距離h為2.2mm，扇形片光從半導(dǎo)體制冷片5的上方透過水槽，投射在透明水槽3右側(cè)壁的白色油漆層4上，在白色油漆層4上形成水平光帶。
[0021]使用上述光線在正梯度溫度場(chǎng)中彎曲方向演示裝置的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下:
[0022]1、接通半導(dǎo)體激光器I的電源，同步調(diào)整半導(dǎo)體激光器I的出射光方向和圓柱面透鏡2的位置，使半導(dǎo)體激光器I出射的激光束透過圓柱面透鏡2形成扇形片光透過透明水槽3內(nèi)的水，在白色油漆層4上投射形成水平光帶。
[0023]2、從水槽前側(cè)壁水平觀察扇形片光在水中的光束徑跡，調(diào)整扇形片光與半導(dǎo)體制冷片5間的相對(duì)位置，使扇形片光在水中的光束徑跡水平通過半導(dǎo)體制冷片5的正上方，同時(shí)使扇形片光厚度中心平面與半導(dǎo)體制冷片5上表面之間的距離h為2.2mm，保證扇形片光在白色油漆層4上仍然投射形成圖2照片所示的水平光帶。
[0024]3、接通半導(dǎo)體制冷片5的電源，使半導(dǎo)體制冷片5的上表面為冷面，觀察白色油漆層4上水平光帶的變化情況，如圖3照片所示，在圖3中，白色油漆層4上投射的水平光帶中部下凹，說明經(jīng)過半導(dǎo)體制冷