非均匀折射率场构建装置及海市蜃景演示装置

摘要

本申请涉及一种非均匀折射率场构建装置及海市蜃景演示装置。所述非均匀折射率场构建装置，包括：承载支架、水槽、温控模块和激光模块。所述水槽设置于所述承载支架。所述温控模块设置于所述承载支架，用于实时监测并调节所述水槽中的水温变化。所述激光模块设置于所述水槽长度方向的一侧，用于发出激光。所述非均匀折射率场构建装置在使用过程中。所述非均匀折射率场构建装置形成之后可以持久的存在一个非均匀折射率场，且所述非均匀折射率场构建装置的可操作性强。所述非均匀折射率场构建装置的结构简单、现象直观，可以作为教学仪器使用。

说明书

技术领域

本申请涉及物理科学技术领域，具体涉及到一种非均匀折射率场构建装置及海市蜃景演示装置。

背景技术

在平静的海面或沙漠上方，有时会出现城市建筑、亭台楼阁、山水湖泊等自然景观，这是由于光线在密度分布不均匀的大气中传播时，产生折射或全反射形成的上现蜃景或下现蜃景的海市蜃楼。上现蜃景的出现是由于大气的密度随着高度的增加逐渐减小，折射率也形成了随高度的增加逐渐减小的梯度变化.例如，夏季在平静的海面或湖面上，由于海水的蒸发，距离海面较近的地方大气湿度大，密度也大，折射率也就大，有可能在海面上出现上现蜃景的海市蜃楼。下现蜃景的海市蜃楼恰好相反。

海市蜃楼现象实际上是一种因为光的折射和全反射而形成的自然现象，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。其本质是光线在折射率非均匀分布的介质中传播时，光线发生偏折导致的。

光在非均匀介质中的传输特性，已在大气光学、大气激光通信等大尺度的研究和微小型梯度折射率光学元器件的设计与制造方面得到了广泛应用。因此，研发一款装置简单、现象直观教学仪器有利于激发学生学习兴趣，解释海市蜃楼玄幻奇景有重要的帮助。同时，对于开展科普活动有重要的促进意义。

目前非均匀折射率场的产生主要通过将饱和NaCl溶液与水溶液混合，通过溶液扩散形成的。此类装置形成的折射率场不能持久存在，可操作性、可重复性差。

发明内容

基于此，有必要针对目前非均匀折射率场不能持久存在，可操作性、可重复性差的问题，提供一种易操作的、稳定的非均匀折射率场构建装置及海市蜃景演示装置。

一种非均匀折射率场构建装置，包括：

承载支架；

水槽，设置于所述承载支架；

温控模块，设置于所述承载支架，用于实时监测并调节所述水槽中的水温变化；以及

激光模块，设置于所述水槽长度方向的一侧，用于发出激光。

在一个实施例中，所述温控模块包括：

至少一个制冷模块，设置于所述承载支架；

加热模块，设置于所述承载支架；以及

温控器，与所述制冷模块和所述加热模块电连接，用于当所述制冷模块的温度达到设定值时断开制冷设备的电源，以及当所述加热模块的温度达到设定值时断开加热设备的电源。

在一个实施例中，所述制冷模块包括：

铝板；

铝片，与所述铝板螺孔连接；

半导体制冷片，固定于所述铝板，并且所述半导体制冷片的冷端与所述铝板粘连；以及

U型铜管，固定于所述铝板，并且所述U型铜管与所述半导体制冷片的热端通过导热硅胶连接，所述U型铜管的U型口背离所述半导体制冷片。

在一个实施例中，所述加热模块包括：

热源，设置于所述水槽内；以及

热源温度传感器，设置于所述热源的底部。

在一个实施例中，所述温控模块还包括冷源温度传感器设置于所述水槽的下方，所述冷源温度传感器用于监测所述制冷模块的温度。

在一个实施例中，所述非均匀折射率场构建装置还包括：

光线记录模块，设置于所述水槽宽度方向的一侧，用于记录光线轨迹图。

在一个实施例中，所述制冷模块的温度设置为0℃，所述加热模块的温度设置为80℃。

一种海市蜃景演示装置，包括：

承载支架；

水槽，设置于所述承载支架；

温控模块，设置于所述承载支架，用于实时监测并调节所述水槽中的水温变化；

使用时，在所述水槽长度方向的一侧设置海市蜃景原图，在所述水槽长度方向的另一侧观察海市蜃景的演示图。

在一个实施例中，所述温控模块包括：

四个制冷模块，设置于所述承载支架，且位于所述水槽的下方；

加热模块，设置于所述承载支架且位于所述水槽的上方；以及

温控器，与所述制冷模块和所述加热模块电连接，用于当所述制冷模块的温度达到设定值时断开制冷设备的电源，以及当所述加热模块的温度达到设定值时断开加热设备的电源。

在一个实施例中，所述海市蜃景演示装置还包括：

潜水泵，设置于所述水槽内，用于使所述水槽中出现温度分布的扰动。

本申请中提供一种非均匀折射率场构建装置及海市蜃景演示装置。所述非均匀折射率场构建装置，包括：承载支架、水槽、温控模块和激光模块。所述水槽设置于所述承载支架。所述温控模块设置于所述承载支架，用于实时监测并调节所述水槽中的水温变化。所述激光模块设置于所述水槽长度方向的一侧，用于发出激光。所述非均匀折射率场构建装置在使用过程中。所述非均匀折射率场构建装置形成之后可以持久的存在一个非均匀折射率场，且所述非均匀折射率场构建装置的可操作性强。所述非均匀折射率场构建装置的结构简单、现象直观，可以作为教学仪器、科普展示使用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置的结构示意图；

图3为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置中冷源装置的侧视图；

图4为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置中激光模块正视图；

图5为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置中激光模块侧视图；

图6为本申请一个实施例中提供的非均匀折射率场构建装置中激光模块中方形带半圆环铝片的结构示意图；

图7为利用本申请中的非均匀折射率场构建装置形成的温度梯度场产生的光线弯曲传播实验结果；

图8为本申请一个实施例中提供的海市蜃景演示装置的结构示意图；

图9为海市蜃景原图；

图10为采用本申请一个实施例中提供的海市蜃景演示装置看到的海市蜃景图像；

图11为本申请一个实施例中提供的海市蜃景演示装置的结构实现“法塔莫甘娜”现象的示意图。

附图标记说明：

非均匀折射率场构建装置100；

海市蜃景演示装置200；

承载支架1；万向轮2；横杆101

水槽3；

温控模块110；

制冷模块111；铝板6；冷源温度传感器7；半导体制冷片8；U型铜管9；铝片10；固定螺丝11；蜂窝铝片12；风扇13；

加热模块112；热源4；热源温度传感器5；

温控器14；

激光模块120；激光控制器15；激光器16；方形带半圆环铝片161；铁片162；铁管163；激光器164；固定杆165；螺丝166；滑动螺丝167；激光器固定架17；丝杆18；固定螺丝181；金属杆182；

海市蜃景原图19；潜水泵20；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本申请提供一种非均匀折射率场构建装置100。所述非均匀折射率场构建装置100包括：承载支架1、水槽3、温控模块110和激光模块120。

所述承载支架1的结构可以参考图1，所述承载支架1可以包括万向轮2、横杆(图1中示意了其中一个横杆101)和纵杆。所述反向轮2的设置使得所述非均匀折射率场构建装置100可以更加方便的移动。

所述水槽3设置于所述承载支架1。所述水槽3可以为透明水槽。在一个实施例中，所述水槽3可以为防爆玻璃，并且由耐高温玻璃胶粘合而成。

所述温控模块110设置于所述承载支架1。所述温控模块110用于实时监测并调节所述水槽3中的水温变化。

所述激光模块120设置于所述水槽3长度方向的一侧，用于发出激光。在一个实施例中，如图1所示，所述激光模块120设置于所述水槽3的右侧。调整所述激光模块120中激光的出射方向，在所述水槽3的左侧记录出射位置。

本实施例中，在所述非均匀折射率场构建装置100的使用过程中，从所述激光模块120发出激光，从右侧照射所述水槽3。所述温控模块110控制所述水槽3中的温度变化。在所述水槽3的左侧记录出射光。所述非均匀折射率场构建装置100形成之后可以持久的存在一个非均匀折射率场，且所述非均匀折射率场构建装置100的可操作性强。所述非均匀折射率场构建装置100的结构简单、现象直观，可以作为教学仪器使用。所述非均匀折射率场构建装置100有利于激发学生学习兴趣，可以帮助学生理解非均匀折射率场的形成过程。

在一个实施例中，所述温控模块110包括：至少一个制冷模块111、加热模块112和温控器14。

至少一个所述制冷模块111设置于所述承载支架1。所述加热模块112设置于所述承载支架1。所述温控器14与所述制冷模块111和所述加热模块112电连接。所述温控器14用于当所述制冷模块111的温度达到设定值时断开制冷设备的电源，以及当所述加热模块112的温度达到设定值时断开加热设备的电源。

本实施例中，所述温控模块110用于实时监测并调节所述水槽3中的水温变化。所述温控模块110的具体结构并不唯一，能够起到实时监测并调节所述水槽3中的水温的功能即可。

请参阅图2和图3，在一个实施例中，所述制冷模块111包括：铝板6、铝片10、半导体制冷片8和U型铜管9。

本实施例中，所述铝片10与所述铝板6螺孔连接。所述半导体制冷片8，固定于所述铝板6，并且所述半导体制冷片8的冷端与所述铝板6粘连。所述U型铜管9固定于所述铝板6。并且所述U型铜管9与所述半导体制冷片8的热端通过导热硅胶连接。所述U型铜管9的U型口背离所述半导体制冷片8。所述铝板6和所述铝片10通过固定螺丝11连接。

在一个实施例中，所述制冷模块111还包括：蜂窝铝片12和风扇13。所述U型铜管9插入所述蜂窝铝片12。所述风扇13设置于所述蜂窝铝片12的两端。所述风扇13与所述温控器14连接。所述风扇13的作用是对所述半导体制冷片8散热。当所述半导体制冷片8不工作时，所述风扇13也无需工作。

在一个实施例中，所述加热模块112包括：热源4和热源温度传感器5。

所述热源4设置于所述水槽3内。所述热源温度传感器5设置于所述热源4的底部。

本实施例中，所述热源4为U型铝制作的电阻加热装置。所述热源4的尺寸为145cm×8cm×4cm。将所述热源温度传感器5置于所述热源4底部的孔洞中。将所述热源4置于所述水槽3内，由于浮力作用，所述热源4可以浮于所述水槽3内。

在一个实施例中，所述温控模块110还包括冷源温度传感器7。

本实施例中，所述冷源温度传感器7设置于所述水槽3的下方，所述冷源温度传感器7用于监测所述制冷模块111的温度。所述冷源温度传感器7可以设置一个或者多个。当设置多个所述冷源温度传感器7时，可以一个所述制冷模块111对应一个所述冷源温度传感器7。

在一个实施例中，所述温控模块110包括：四个所述制冷模块111。四个所述制冷模块111均设置于所述水槽3的下方。所述温控模块110中的所述加热模块112，设置于所述水槽3的上方。

在一个实施例中，所述温控器14分别与所述热源温度传感器5、所述冷源温度传感器7和所述风扇13电连接。所述温控器14作为一个总控制器。当开启所述温控器14的电源时，所述风扇13、所述热源温度传感器5、所述冷源温度传感器7都能通电开始工作。所述温控器14的工作原理是，当温度传感器探测到的温度高于或低于设定值时，所述温控器14断开加热或制冷设备的电源。

图2中所述水槽3的右侧给出了所述激光控制器15、所述激光器16、所述定架17和所述丝杆18的结构示意。

请参阅图4，图4为本申请一个实施例中提供的所述非均匀折射率场构建装置100中所述激光模块120的正视图。在激光器固定架17中设置丝杆18、方形带半圆环铝片161、铁片162、铁管163、激光器164、固定杆165、螺丝166、滑动螺丝167以及固定螺丝181。

请参阅图5，图5为本申请一个实施例中提供的所述非均匀折射率场构建装置100中所述激光模块120侧视图。图5中示意了所述丝杆18、所述方形带半圆环铝片161、所述铁片162、所述铁管163、所述激光器164、所述固定杆165以及金属杆182的结构设置。所述金属杆182可以设置为一根圆柱状金属杆，其作用是防止旋转所述丝杆18时引起所述方形带半圆环铝片161的旋转。

请参阅图6，图6为本申请一个实施例中提供的所述非均匀折射率场构建装置100中所述激光模块120中所述方形带半圆环铝片161的结构示意图。

在一个实施例中，所述非均匀折射率场构建装置100还包括：光线记录模块(图未示)。

所述光线记录模块设置于所述水槽3宽度方向的一侧(即所述水槽3的前侧)，用于记录光线轨迹图。请参阅图7，图7为利用本申请所述非均匀折射率场构建装置100形成的温度梯度场产生的光线弯曲传播实验结果。图7中实线为激光在所述水槽3中的传播轨迹，激光从右侧入射，在所述水槽3中传输时，由于所述水槽3中折射率不均匀，引起光线弯曲传播，为实验结果。虚线为一条直线，表示若以相同角度入射，以直线传播时的轨迹。

所述光线记录模块可以为相机。在一个具体的实施例中，可以利用相机拍摄光线轨迹图，然后将所述光线轨迹图导入计算机与理论值进行比较，定量研究由于热效应引起的光线的非直线传播现象。

在一个实施例中，所述制冷模块111的温度范围可以设置为0℃至10℃，所述加热模块112的温度范围可以设置为60℃至90℃。

在一个实施例中，所述制冷模块111的温度与所述加热模块112的温度相差50℃至90℃。

在一个具体的实施例中，所述制冷模块111的温度设置为0℃，所述加热模块112的温度设置为80℃。

在一个具体的实施例中，所述非均匀折射率场构建装置100包括：承载支架1、水槽3、激光模块120、四个制冷模块111、加热模块112和温控器14。制作组装所述非均匀折射率场构建装置100的步骤包括：

(1)提供所述承载支架1。

(2)组装所述制冷模块111。一个所述制冷模块111可以包括所述铝板6、所述冷源温度传感器7、所述半导体制冷片8、所述U型铜管9、所述铝片10、所述固定螺丝11、所述蜂窝铝片12和所述风扇13。所述制冷模块111的组装步骤包括：1)在所述铝片10的四角钻出4mm孔。2)在所述铝板6上钻出对应的螺孔。3)利用导热硅胶将所述半导体制冷片8冷端粘在所述铝板6上。4)利用导热硅胶将所述U型铜管9粘到所述半导体制冷片8的热端面，并且所述U型铜管9的U型口背离所述半导体制冷片8。5)利用所述固定螺丝11将所述铝片10、所述铜管9、所述半导体制冷片8固定到所述铝板6上。6)待导热硅胶固定好后，将所述U型铜管9插入所述蜂窝铝片12中。7)在所述蜂窝铝片12两端安装两个所述电风扇13。两个所述电风扇13的排气方向一致。8)按上述步骤，组装其余三个所述制冷模块111。并将上述四个所述制冷模块111放置在所述承载支架1上。

(3)在所述承载支架1上放置所述水槽3。所述水槽3可以为透明水槽。所述水槽3可以为防爆玻璃，并由耐高温玻璃胶粘合。所述水槽3的尺寸可以设置为150cm×10cm×35cm，玻璃厚度8mm。所述水槽3内装有一定量水。在一个实施例中，所述水槽3内装水至水槽高度的3/4处。

(4)所述水槽3中放置所述加热模块112。所述热源4可以为U型铝制作的电阻加热装置。所述热源4的尺寸可以为145cm×8cm×4cm。将热源温度传感器5置于所述热源4底部孔洞中。然后将所述热源4置于所述水槽3内，由于浮力作用，所述热源4可以浮于所述水槽3内。

(5)在所述承载支架1上设置所述温控器14。所述温控器14与所述制冷模块111和所述加热模块112电连接。所述温控器14用于当所述制冷模块111的温度达到设定值时断开制冷设备的电源，以及当所述加热模块112的温度达到设定值时断开加热设备的电源。

(6)在所述承载支架1的右侧放置所述激光模块120。所述激光模块120包括所述激光器16、激光器固定架17、丝杆18以及图4和图5中示意的结构。

所述非均匀折射率场构建装置100在使用过程中，包括以下步骤：

(1)开启所述激光器16的电源，调整激光射出的角度为15°，在所述水槽3左侧，标记激光出射位置。

(2)开启所述温控器14的电源，将所述制冷模块111的温度设置为0℃，将所述加热模块112的温度设置为80℃。

(3)观察激光出射位置的变化。待仪器温度平衡后(静置约30分钟)，观察光线轨迹(图7)。

(4)利用相机拍摄光线轨迹图，并将光线轨迹图导入计算机与理论值进行比较，定量研究由于非均匀折射率场引起的光线的非直线传播现象。

请参阅图8，本申请还提供一种海市蜃景演示装置200。所述海市蜃景演示装置200包括：承载支架1、水槽3和温控模块110。

所述水槽3设置于所述承载支架1。

所述温控模块110设置于所述承载支架1。所述温控模块110用于实时监测并调节所述水槽3中的水温变化。

使用时，在所述水槽3长度方向的一侧设置海市蜃景原图19，在所述水槽3长度方向的另一侧观察海市蜃景的演示图。

所述海市蜃景演示装置200形成之后可以持久的存在一个非均匀折射率场，且所述海市蜃景演示装置200的可操作性强。所述海市蜃景演示装置200的结构简单、现象直观，可以作为教学仪器使用。所述海市蜃景演示装置200有利于激发学生学习兴趣，可以很好的解释海市蜃楼玄幻奇景的形成过程。

在一个实施例中，所述温控模块110包括：四个制冷模块111、加热模块112和温控器14。

四个所述制冷模块111设置于所述承载支架1，且位于所述水槽3的下方。所述加热模块112设置于所述承载支架1且位于所述水槽3的上方；以及

所述温控器14与所述制冷模块111和所述加热模块112电连接。所述温控器14用于当所述制冷模块111的温度达到设定值时断开制冷设备的电源，以及当所述加热模块112的温度达到设定值时断开加热设备的电源。

在一个具体的实施例中，采用如图8中所示的海市蜃景演示装置200观察海市蜃景图像。采用所述海市蜃景演示装置200观察海市蜃景图像的实施步骤包括：

(1)将海市蜃景原图19放置在所述水槽3的左侧(可以粘贴到所述水槽3的左侧壁上)。

(2)开启设备电源(所述温控模块110的电源)，将所述制冷模块111的温度设置为0℃，将所述加热模块112的温度设置为80℃。在所述水槽3的右侧观察图片变化。

(3)待所述水槽3中的温度平衡后(～30分钟)，可以看到原图(图9)被拉伸(图10)，实现海市蜃楼效果。图9为海市蜃景原图。图10为采用本申请一个实施例中提供的海市蜃景演示装置看到的海市蜃景图像。图10中间的图像为直接看到的海市蜃景图像。图10中左右两侧的图像为水槽两侧玻璃反射的海市蜃景图像。

请参阅图11，在一个实施例中，所述海市蜃景演示装置200还包括：潜水泵20。所述潜水泵20设置于所述水槽3内。所述潜水泵20用于使所述水槽3中出现温度分布的扰动。

本实施例中，所述海市蜃景演示装置200可以演示“法塔·莫甘娜”现象。法塔·莫甘娜(Fata Morgana)是一种复杂的海市蜃景现象，具有拉伸/压缩、正/倒立的多重幻影相互层叠的特点。该蜃景能长时间存在，且在时刻变化。

本实施例中，将所述潜水泵20置于所述水槽3的底部中间位置。将所述制冷模块111的温度设置为0℃，将所述加热模块112的温度设置为80℃，等待～30分钟。开启所述潜水泵20的电源。此时，出现水的流动，即出现温度分布的扰动。此时，在所述水槽3的右侧观察海市蜃景图，可以发现原图呈不断变化，即出现“法塔莫甘娜”现象。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。