負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置與實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學實驗教學儀器技術領域，具體涉及到演示直線光彎曲的實驗儀器。
【背景技術】
[0002]光直線傳播概念的形成，始于人們在有限范圍內的直觀感受以及中小學幾何光學中建立的光直線傳播的“公理性”概念。而實際上光直線傳播是有條件的，即只有在均勻介質中才是直線傳播的。光在大氣中傳輸問題的研宄表明，當光在大氣中長距離傳輸時，往往出現(xiàn)光線彎曲傳輸現(xiàn)象。對光在大氣中曲線傳輸想象產生的機理，學術界早有定論，即由于大氣中溫度場的不均勻，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，必然使光線通過時產生折射，由于大氣溫度場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出現(xiàn)彎曲而非折線傳輸。光線在大氣中傳輸時彎曲現(xiàn)象的顯現(xiàn)，必須滿足兩個條件，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，光線必須經過長距離傳輸，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，在實驗室有限的空間內很難建立起大的空氣梯度溫度場，因此在實驗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，使得學生對這一光學現(xiàn)象的理解也就只能憑借想象力。水作為另一種流體，其性質和運動規(guī)律與大氣非常相近，同時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，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的溫度場的溫度分布值，使學生直接觀察光線在已知不同方向梯度溫度場中的彎曲傳輸情況。但目前未見到相關的教學實驗演示儀器。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個技術問題在于提供一種設計合理、結構簡單、演示效果直觀的負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個技術問題在于使用負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置的實驗方法。
[0005]解決上述技術問題所采用的技術方案是:在底座上設置內裝有水的透明水槽，透明水槽的右外側面噴涂有白色油漆層，透明水槽內設置安裝有半導體制冷片的半導體制冷片支架，半導體制冷片的上表面為熱面，半導體制冷片支架和半導體制冷片浸入水中，在底座上透明水槽的左側設置安裝有半導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豎直平面內相互垂直。
[0006]本發(fā)明的透明水槽和半導體制冷片的幾何形狀為長方體，半導體制冷片的上表面與水平面平行、前側面與透明水槽的前側壁平行。
[0007]本發(fā)明的圓柱面透鏡的直徑為3?5mm。
[0008]使用上述負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置的實驗方法由下述步驟組成:
[0009]1、接通半導體激光器的電源，同步調整半導體激光器的出射光方向和圓柱面透鏡的位置，使半導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的水，在白色油漆層上投射形成水平光帶。
[0010]2、從水槽前側壁水平觀察扇形片光在水中的光束徑跡，調整扇形片光與半導體制冷片間的相對位置，使扇形片光在水中的光束徑跡水平通過半導體制冷片的正上方，扇形片光所在平面與半導體制冷片上表面平行，扇形片光厚度中心平面與半導體制冷片上表面之間的距離h為2?2.5謹。
[0011]3、接通半導體制冷片的電源，半導體制冷片的上表面為熱面，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上凸與半導體制冷片上方梯度溫度場方向的關系。
[0012]本發(fā)明將通電的半導體制冷片水平浸入水中，在半導體制冷片上方的水中建立負梯度溫度場，同時使激光扇形片光水平通過半導體制冷片上方的負梯度溫度場，處于負梯度溫度場中的激光扇形片光向上彎曲，白色油漆層上形成的水平光帶中部上凸，直觀地演示了負溫度梯度場中光線的彎曲方向。這種結構的負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置，結構簡單、建立梯度溫度場的速度快、梯度溫度場穩(wěn)定、演示效果明顯、直觀，可作為光學演示和實驗儀器。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一個實施例的結構示意圖。
[0014]圖2是半導體制冷片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上的水平光帶中部上凸的照片。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
[0017]實施例1
[0018]在圖1中，本實施例的負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置由半導體激光器1、圓柱面透鏡2、透明水槽3、白色油漆層4、半導體制冷片5、半導體制冷片支架6、底座7、激光器支架8聯(lián)接構成。
[0019]在底座7上放置有透明水槽3，透明水槽3采用有機玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽3的幾何形狀為長方體，透明水槽3內裝滿水，透明水槽3的右外側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內的底部放置有半導體制冷片支架6，半導體制冷片支架6上用膠粘接有半導體制冷片5，半導體制冷片支架6和半導體制冷片5浸入水中，半導體制冷片5的幾何形狀為長方體，半導體制冷片5的上表面為熱面，半導體制冷片5的上表面與水平面平行，半導體制冷片5的前側面與透明水槽3的前側面平行。
[0020]在底座7上透明水槽3外的左側放置有激光器支架8，激光器支架8上安裝有半導體激光器1，半導體激光器I可在半導體激光器I支架上轉動，半導體激光器I用于產生激光，半導體激光器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豎直平面內相互垂直。半導體激光器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體制冷片5上表面平行，扇形片光厚度中心平面與半導體制冷片5上表面之間的距離h為4mm，扇形片光從半導體制冷片5的上方透過水槽，投射在透明水槽3右側壁的白色油漆層4上，在白色油漆層4上形成水平光帶。
[0021]使用上述光線在負梯度溫度場中光線彎曲方向演示裝置演示光線彎曲的實驗方法步驟如下:
[0022]1、接通半導體激光器I的電源，同步調整半導體激光器I的出射光方向和圓柱面透鏡2的位置，使半導體激光器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、從水槽前側壁水平觀察扇形片光在水中的光束徑跡，調整扇形片光與半導體制冷片5間的相對位置，使扇形片光在水中的光束徑跡水平通過半導體制冷片5的正上方，同時使扇形片光厚度中心平面與半導體制冷片5上表面之間的距離h為4mm，扇形片光在白色油漆層4上投射形成圖2照片所示的水平光帶。
[0024]3、接通半導體制冷片5的電源，使半導體制冷片5的上表面為熱面，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上凸，說明經過半導體制冷片5上方負溫度梯度場的光線向上彎