海市蜃楼现象与光线弯曲传输径迹实验演示装置

摘要

一种海市蜃楼现象与光线弯曲传输径迹实验演示装置,在底座上设置有水槽，底座上水槽后方设置有安装在激光器支架上的激光器，水槽内左部密封设置有与水槽前后侧壁相垂直的第一隔板、右部密封设置有与水槽前后壁相垂直的第二隔板，第一隔板与水槽的左侧壁、前后壁形成冷却水槽，第二隔板与水槽的右侧壁、前后壁形成对比水槽，第一隔板与第二隔板和水槽的前后侧壁形成蜃景水槽，在第一隔板的竖直方向上密封镶嵌有上半导体制冷片和下半导体制冷片，蜃景水槽内距第一隔板5～10cm处水槽的前后侧壁上密封设置有梯度板，水槽后方与蜃景水槽和对比水槽正对的底座上分别设置有两个第一观察体和第二观察体，本发明设计合理、结构简单、演示效果更直观。

说明书

技术领域

本发明属于物理实验教学仪器技术领域，具体涉及到一种海市蜃楼现象与光线弯曲传输径迹实验演示装置。

背景技术

海市蜃楼是地球上物体反射的太阳光经大气折射而形成的物体的虚像。它的生成是在特定的天气形势和气象条件下，与地理位置、地球物理条件有密切联系。由于出现时间短，准确的记录较少，地域飘忽不定，有很大的神秘性。这给学生和公众了解海市蜃楼形成的原理造成很大困难。

利用在液体建立梯度折射率场来演示“海市蜃楼”现象，是目前国内外唯一的实验演示方法。其特征都是利用水槽底部放置大颗粒盐(或糖块)的自然溶解，在水槽中形成垂直方向的浓度梯度场，根据液体浓度与折射率的关系，获得梯度折射率介质。但其存在下面几方面的问题：一、大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成要求浓度梯度的时间很长，一般需要超过140多小时，而放置1个月左右，浓度梯度又会不可恢复的自然消失，因此实验效率低，无法重复使用。二、大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成的浓度梯度和尺度不可控，梯度的定量测量难度很大。三、自然形成的浓度梯度的稳定性受环境温度、振动影响大，且不能移动。以上几点都使得利用大颗粒盐(或糖块)的自然溶解形成的梯度折射率场无法定量研究非均匀介质中光传输特性。同时与自然界中由于温度梯度形成海市蜃楼现象的物理原理有显著差异，因此利用大颗粒盐(或糖块)自然溶解形成的浓度梯度场，只是模拟“海市蜃楼”现象，而不属于真正的物理演示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述演示方法的不足,提供一种设计合理、结构简单、演示效果更直观的海市蜃楼现象与光线弯曲传输径迹实验演示装置。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在底座上设置有水槽，底座上水槽后方设置有安装在激光器支架上的激光器，底座上水槽右侧设置有与安装在水槽内的传感器相连接的多路测温仪，水槽内左部密封设置有与水槽前后侧壁相垂直的第一隔板、右部密封设置有与水槽前后壁相垂直的第二隔板，第一隔板与水槽的左侧壁、前后壁形成冷却水槽，第二隔板与水槽的右侧壁、前后壁形成对比水槽，第一隔板与第二隔板和水槽的前后侧壁形成蜃景水槽，在第一隔板的竖直方向上密封镶嵌有上半导体制冷片和下半导体制冷片，上半导体制冷片的热面面向蜃景水槽，下半导体制冷片的冷面面向蜃景水槽，蜃景水槽内距第一隔板5～10cm处水槽的前后侧壁上密封设置有梯度板，梯度板的上端与上半导体制冷片的上端在同一水平面内、下端与下半导体制冷片的下端在同一水平面内，梯度板与水槽底板垂直，水槽后方与蜃景水槽和对比水槽正对的底座上分别设置有两个第一观察体和第二观察体。

本发明的第一观察体和第二观察体结构完全相同。

本发明的水槽为长方体透明水槽。

本发明的激光器输出的激光束靠近并平行于梯度板的右侧面透过水槽。

本发明的第一隔板和第二隔板均为透明有机玻璃板。

由于本发明采用镶嵌在第一隔板上部的上半导体制冷片和镶嵌在第一隔板下部的下半导体制冷片以及设置在第一隔板右侧的梯度板在蜃景水槽中形成温度上高下低的大尺度梯度温度场，即大尺度梯度折射率场,本发明在水中建立梯度温度场的尺度大、速度快、成本低、安全可靠，可清晰演示海市蜃楼现象与原理。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的右视图。

图4是本发明水中竖直方向的温度梯度曲线。

图中：1、水槽；2、第一隔板；3、上半导体制冷片；4、下半导体制冷片；5、梯度板；6、第二隔板；7、底座；8、多路测温仪；9、传感器；10、激光器；11、第一观察体；12、第二观察体；13、激光器支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1、2、3中，本发明海市蜃楼现象与光线弯曲传输径迹实验演示装置,在底座7上放置有水槽1，本发明的水槽1为长方体透明水槽，底座7上水槽1后方设置有安装在激光器支架13上的激光器10，底座7上水槽1右侧设置有与安装在水槽内的传感器9相连接的多路测温仪8，通过多路测温仪8可观测本发明水中竖直方向的温度梯度曲线，进一步地，本发明的激光器10输出的激光束靠近并平行于梯度板5的右侧面透过水槽1，透过水槽1的右侧壁和第二隔板6观察蜃景水槽中内大尺度线性梯度温度区域中的激光束的弯曲径迹。水槽1内左部密封安装有与水槽1前后侧壁相垂直的第一隔板2、右部密封设置有与水槽1前后壁相垂直的第二隔板6，进一步地，本发明的第一隔板2、第二隔板6均为透明有机玻璃板，第一隔板2与水槽1的左侧壁、前后壁形成冷却水槽，冷却水槽内充满水，用于吸收半导体制冷片散出的热量；第二隔板6与水槽1的右侧壁、前后壁形成对比水槽，对比水槽中充满自来水，提供均匀介质，用于与蜃景水槽的非均匀介质进行比较，第一隔板2与第二隔板6和水槽1的前后侧壁形成蜃景水槽，在第一隔板2的竖直方向上密封镶嵌有上半导体制冷片3和下半导体制冷片4，上半导体制冷片3的热面面向蜃景水槽，下半导体制冷片4的冷面面向蜃景水槽，蜃景水槽内距第一隔板8cm处水槽1的前后侧壁上密封设置有梯度板5，梯度板5的上端与上半导体制冷片3的上端在同一水平面内、下端与下半导体制冷片4的下端在同一水平面内，梯度板5与水槽4底板垂直，梯度板5与第二隔板5之间为大尺度线性梯度温度区域，用于观察演示海市蜃楼现象，水槽后方与蜃景水槽和对比水槽正对的底座上分别设置有第一观察体11和第二观察体12，进一步地，本发明的第一观察体11和第二观察体12结构完全相同，同时透过蜃景水槽和对比水槽观察第一观察体11和第二观察体12的位置和大小变化，即可以明显看出与蜃景水槽相对的第一观察体11的位置明显高于透过对比水槽看到的第二观察体12的位置，结合激光束的弯曲方向，直观的演示了海市蜃楼现象，揭示海市蜃楼形成的物理原理。

实施例2

实施例1中，本实施例的蜃景水槽内距第一隔板5cm处水槽1的前后侧壁上密封设置有梯度板5，梯度板5的上端与上半导体制冷片3的上端在同一水平面内、下端与下半导体制冷片4的下端在同一水平面内，梯度板5与水槽4底板垂直，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

实施例3

实施例1中，本实施例的蜃景水槽内距第一隔板10cm处水槽1的前后侧壁上密封设置有梯度板5，梯度板5的上端与上半导体制冷片3的上端在同一水平面内、下端与下半导体制冷片4的下端在同一水平面内，梯度板5与水槽4底板垂直，其余各零部件以及零部件的连接关系与实施例1完全相同。

本发明的工作原理如下：

镶嵌在第一隔板2上部的上半导体制冷片3通电后，上半导体制冷片2热面加热蜃景水槽内靠近热面的水，热水向上迁移。镶嵌在第一隔板2下部的下半导体制冷片4通电后，下半导体制冷片4冷面冷却蜃景水槽内靠近冷面的水，冷水向下迁移，由于梯度板5的阻档和导流作用热水只能一直向上迁移，而冷水只能一直向下迁移，当热水越过梯度板5的上端，冷水通过梯度板5的下端，便在蜃景水槽中形成热交换，在蜃景水槽中形成温度上高下低的大尺度梯度温度场，满足了演示海市蜃楼原理的需要。在冷却水槽中，设置在第一隔板2上部的上半导体制冷片3冷面冷却的水向下迁移，设置在第一隔板2下部的下半导体制冷片4的热面加热的水向上迁移，冷热水相遇，使冷却水槽中的水长时间保持在较低的温度，保证了半导体制冷片的安全工作。对比水槽中充满常温状态的自来水，其作用是提供均匀介质，用于与蜃景水槽的非均匀介质进行比较。其方法是用左右眼同时透过对比水槽和透过蜃景观察第一观察体11和第二观察体12，透过对比水槽看到的第二观察体12位置、大小不变，而透过蜃景水槽看到的第一观察体11位置、大小均发生了变化，以此直观演示了海市蜃楼现象，揭示了海市蜃楼形成的原理。