[發(fā)明專利]液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置與實驗方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510360061.3
• 申請日: 2015-06-25
• 公開（公告）號: CN104933931B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張宗權(quán);苗潤才;任俊鵬;黃育紅;楊宗立;魯佰佐;劉志存
• 申請（專利權(quán)）人: 陜西師范大學(xué)
• 主分類號: G09B23/22
• 分類號: G09B23/22
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責(zé)任公司61201
• 代理人: 申忠才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)實驗教學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液體中熱流分光效應(yīng)實驗裝置。

背景技術(shù)

光直線傳播概念的形成，始于人們在有限范圍內(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。而實際上光直線傳播是有條件的，光只有在均勻介質(zhì)中才直線傳播，在非均勻介質(zhì)中光線彎曲傳輸。光線在非均勻介質(zhì)中彎曲傳輸?shù)囊?guī)律在大氣光學(xué)中早有定論，即光線向空間溫度低的區(qū)域偏折，更確切的說是向折射率大的區(qū)域偏折。大氣光學(xué)所研究的對象或者范圍往往是大尺度的，大氣中光線彎曲傳輸?shù)默F(xiàn)象也是通過長距離才顯現(xiàn)，因此在實驗室的空間中無法實驗觀察光線的彎曲傳輸現(xiàn)象。水作為另一種流體，其性質(zhì)和運動規(guī)律與大氣非常相近，研究光在溫度非均勻分布水中的傳輸特性，對學(xué)生理解光在大氣中的傳輸規(guī)律具有重要參考作用，特別能使學(xué)生更容易的觀察到平行光束通過熱流時的光分束效應(yīng)和通過冷流時的聚光效應(yīng)，這對學(xué)生深刻理解光在非均勻介質(zhì)中的彎曲傳輸機理，具有重要意義。但目前未見到相關(guān)的教學(xué)實驗演示儀器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于提供一種設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、演示效果直觀的液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置。

本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于提供一種使用液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置的實驗方法。

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)體制冷片的前側(cè)面為熱面或冷面、且與水平面垂直，半導(dǎo)體制冷片支架和半導(dǎo)體制冷片浸入水中，半導(dǎo)體制冷片上表面到水面的距離至少為30mm，在底座上透明水槽外的左側(cè)設(shè)置安裝有半導(dǎo)體激光器的激光器支架。

本發(fā)明的透明水槽和半導(dǎo)體制冷片的幾何形狀為長方體，半導(dǎo)體制冷片的上表面與水平面平行、熱面與透明水槽的長度側(cè)壁平行。

使用上述液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置的實驗方法由下述步驟組成：

(1)調(diào)整半導(dǎo)體激光器的出射光方向，使半導(dǎo)體激光器出射的激光束經(jīng)半導(dǎo)體制冷片前側(cè)面的正上方并與前側(cè)面平行，在距離半導(dǎo)體制冷片上表面5～10mm水中沿水平方向通過。

(2)接通半導(dǎo)體制冷片電源，通過電源連接極性調(diào)整，使半導(dǎo)體制冷片的前側(cè)面為熱面，觀察激光器出射的激光束在半導(dǎo)體制冷片上方由一束激光分成兩束的現(xiàn)象。

本發(fā)明將通電的半導(dǎo)體制冷片直立浸入水中，利用熱面不斷加熱產(chǎn)生的熱流薄層向上遷移過程中，熱流薄層與兩側(cè)處于常溫狀態(tài)水進(jìn)行熱交換，在熱流薄層兩側(cè)形成與熱流薄層垂直且方向相反的梯度溫度場。同時采用同一束激光中不同光線在方向相反的梯度溫度場中不同的彎曲方向，實現(xiàn)了熱流光分束效應(yīng)的直觀演示。這種結(jié)構(gòu)的液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置，結(jié)構(gòu)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(xué)演示和實驗儀器。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是半導(dǎo)體制冷片3通電后一條光束分成兩條光束的照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。

實施例1

在圖1中，本實施例的液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置由半導(dǎo)體激光器1、透明水槽2、半導(dǎo)體制冷片3、半導(dǎo)體制冷片支架4、底座5、激光器支架6聯(lián)接構(gòu)成。

在底座5上放置有透明水槽2，透明水槽2采用有機玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，透明水槽2的幾何形狀為長方體，透明水槽2內(nèi)裝滿水。在透明水槽2內(nèi)的底部放置有半導(dǎo)體制冷片支架4，半導(dǎo)體制冷片支架4上用膠粘接有半導(dǎo)體制冷片3，半導(dǎo)體制冷片3的幾何形狀為長方體，半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為熱面，通過切換半導(dǎo)體制冷片3的電源連接極性，也可使半導(dǎo)體制冷片3的前側(cè)面為冷面，半導(dǎo)體制冷片3的熱面與水平面垂直，半導(dǎo)體制冷片3的熱面與透明水槽2的前側(cè)壁平行，半導(dǎo)體制冷片支架4和半導(dǎo)體制冷片3浸入水中，半導(dǎo)體制冷片3上表面到水面的距離為30mm。

在水槽2左側(cè)底座5上放置有激光器支架6，激光器支架6上安裝有半導(dǎo)體激光器1，半導(dǎo)體激光器1可在半導(dǎo)體激光器1支架上轉(zhuǎn)動，半導(dǎo)體激光器1用于產(chǎn)生激光，半導(dǎo)體激光器1出射光透過水槽2的左側(cè)壁，經(jīng)半導(dǎo)體制冷片3正上方、且距離上表面h為8mm處的水中沿水平方向通過。

使用上述液體中熱流光分束效應(yīng)實驗裝置演示熱流光分束效應(yīng)的實驗方法步驟如下：