一种光路折射试验装置及方法

技术领域

本发明涉及物理实验教学技术领域，特别是涉及一种光路折射试验装置及方法。

背景技术

当前国内外模拟海市蜃楼及观测折射光路的装置大都采用向水槽内注入一半清水，再将食盐或蔗糖放入清水中，用玻璃棒搅拌，使其溶解成近饱和状态，再在其液面上放一薄塑料膜盖住下面的盐或蔗糖溶液，在膜上慢慢注入清水，直到水槽的水接近满为止。稍后，将薄膜轻轻从槽一侧抽出，此时，清水和食盐或蔗糖水溶液界面分明，大约数小时以后，由于扩散使界面消失，在交界处形成了一个扩散层，液体的折射率由下向上逐渐减少，产生一个密度梯度，此时液体配制完成，此时即可观察到光路弯曲现象。

此类装置有以下弊端：

一、实验准备时间长，操作复杂，需多人合作；

二、需要花大量时间等待扩散界面消失，不能快速使用；

三、每次容器内都需要配置大量盐(蔗糖)溶液，且扩散均匀后不能重复使用造成资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种光路折射试验装置以及方法，操作简单，可演示并能快速观察到光路弯曲路径和海市蜃楼现象，可以快速建立大尺度温度梯度场，且内部介质可重复使用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光路折射试验装置，包括：

透明有机玻璃容器，用于盛放甘油；

U型加热管，嵌设在所述透明有机玻璃容器的顶部，用于对甘油进行加热；

半导体制冷片，安装在所述透明有机玻璃容器的底部，用于对甘油进行制冷；

金属散热架，安装在所述透明有机玻璃容器的底部，并设置于水槽内部，用于给所述半导体制冷片散热，且水槽中的水没过所述金属散热架；

电源，所述电源连接有可控调压器，通过外接可调电源给所述U型加热管和所述半导体制冷片供电；

温度传感器，插入透明有机玻璃容器中，用于检测甘油的温度。

进一步的，所述透明有机玻璃容器为长方体，所述长方体的尺寸为600mm*300mm*38mm。

进一步的，所述U型加热管尺寸的长度为500mm。

进一步的，所述半导体制冷片选择SP1848半导体制冷片。

本发明还提供了一种光路折射试验方法，所述方法包括：

S1、将金属散热架置于水槽内，使水槽中的水没过金属散热架；

S2、以甘油为介质，放入透明有机玻璃容器中，直至水槽中的水没过U型加热管，开始加热上部甘油；透明有机玻璃容器底部加装半导体制冷片，给底部甘油降温，从而形成甘油上下层的温度差，使得透明有机玻璃容器的上下层形成温度梯度和密度梯度，且各梯度的折射率不同，此时，用激光笔从透明有机玻璃容器的侧面射出光线，形成光路，产生折射作用，得到射入各梯度的折射角和折射率；

S3、在甘油中插入温度传感器，测量位于透明有机玻璃容器不同深度的甘油的温度，观察甘油的上下层温度差，当上下层温度差达到25℃及以上时，光路开始逐渐弯曲，随着温差增大现象也随之明显，此时在窄面一处摆放一小物体，调整至适当位置，从另一侧窄处观察到海市蜃楼现象；

S4、根据温度传感器采集的甘油上下层的温度数据，绘制甘油的折射率与温度梯度曲线。

进一步的，所述S2中得到射入各梯度的折射角和折射率，具体为：

S100、将介质沿着y轴方向分成无数个薄层，设每个薄层折射率都为常数，假设光初始入射时初始角为θ

S1200、由光的折射定律可得：

n

其中，θ

S300、将式(2)带入式(3)得：

S400、得到光在渐变介质中的轨迹方程为：

S500、通过光线轨迹得到介质折射率。

进一步的，所述S4根据温度传感器采集的甘油上下层的温度数据，绘制甘油的折射率与温度梯度曲线，具体包括：

S401、通过温度传感器对透明有机玻璃容器不同深度的温度进行测量，用matlab模拟出透明有机玻璃容器内的温度分布图，得到甘油不同温度下折射率；

S402、根据甘油折射率随温度变化规律可得出经验公式：以20℃为基准，

n(t)＝n(20)-0.00237(t-20) (6)

其中，t表示甘油的温度；

S403、画出折射率与温度梯度曲线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的光路折射试验装置以及方法，使用甘油为介质，通过创造温度差形成密度差进而形成折射率差，操作简单，单人操作即可完成；无需制备溶液，无需等待较长时间，可快速观察到现象；可重复使用，减少资源浪费；可快速建立大尺度温度梯度场，探究温度对实验现象的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的光路折射试验装置的示意图；

图2为本发明实施例的光路折射试验装置的主视图；

图3为本发明实施例的光路折射试验装置的侧视图；

图4为本发明实施例光路折射试验装置的俯视图；

图5为本发明实施例中光在渐变折射率的介质中传播轨迹示意图；

图6为本发明实施例中折射率与温度梯度曲线示意图；

图7为本发明实施例中用matlab模拟的透明有机玻璃容器内的温度分布图；

附图标记说明：1、透明有机玻璃容器；2、甘油；3、U型加热管；4、半导体制冷片；5、金属散热架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光路折射试验装置及方法，操作简单，可演示并能快速观察到光路弯曲路径和海市蜃楼现象，且内部介质可重复使用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明利用光在介质中连续折射和全反射原理，利用甘油为介质，利用加热管和半导体制冷片形成温度上高下低的大尺度温度梯度场，热甘油密度小浮于上部，密度不同折射率不同，从而形成大尺度梯度折射率场，可演示光路弯曲路径和海市蜃楼现象，并能解释这些现象的原理。插入温度传感器观察甘油上下温度差，也可观察温度梯度变化对甘油折射率的影响。

如图1-4所示，本发明实施例提供的光路折射试验装置，包括：透明有机玻璃容器，用于盛放甘油(本实施例中，以甘油(丙三醇)作为介质)；

U型加热管，嵌设在所述透明有机玻璃容器的顶部，用于对甘油进行加热；

半导体制冷片，安装在所述透明有机玻璃容器的底部，用于对甘油进行制冷；

金属散热架，安装在所述透明有机玻璃容器的底部，并设置于水槽内部，用于给所述半导体制冷片散热，且水槽中的水没过所述金属散热架；

电源，所述电源连接有可控调压器，用于通过外接电源给所述U型加热管和所述半导体制冷片供电；所述可控调压器可以是电子调压器(可控硅调压器)。

温度传感器，插入透明有机玻璃容器中，用于检测甘油的温度。

本实施例中，采用的是250W可调电源；

本实施例中，透明有机玻璃容器为长方体，所述长方体的尺寸为600mm*300mm*38mm；

本实施例中，U型加热管的长度为500mm；

本实施例中，采用的是SP1848半导体制冷片；

本实施例中，可控调压器为电子调压器(可控硅调压器)。

本发明还提供了一种光路折射试验方法，包括：

S1、将金属散热架置于水槽内，使水槽中的水没过金属散热架。

S2、运用甘油(丙三醇)作为介质，放入透明有机玻璃容器中，直至没过U型加热管，开始加热上部甘油，透明有机玻璃容器底部加装半导体制冷片，给底部甘油降温，从而制造甘油上下层温度差，由于热甘油密度小浮于上部，使透明有机玻璃容器的上下层形成温度梯度(密度梯度)，各梯度的折射率不同，如此使得激光笔射出光线产生折射作用，得到射入各梯度的折射角和折射率。

S3、在甘油中插入温度传感器，测量位于透明有机玻璃容器不同深度的甘油的温度，观察甘油上下层的温度差，当上下部分温度差达到25℃及以上时，光路便开始逐渐弯曲，随着温差增大现象也随之明显，此时在窄面(窄面指的是透明有机玻璃容器的较小的一个侧面)一处摆放一小物体，调整至适当位置，从另一侧窄面观察可观察到海市蜃楼现象。根据温度传感器的数据，可绘制温度梯度曲线，观察甘油温度梯度变化，探究温度对实验现象的影响。

S4、根据温度传感器采集的甘油上下层的温度数据，观察甘油温度梯度变化，绘制甘油的折射率与温度梯度曲线。

进一步的实施例中，所述S2中得到射入各梯度的折射角和折射率，具体为：

由费马原理可知，光线总是沿着最短时间的路径行进。对于渐变介质而言，其折射率为位置的函数，即:n＝n(x,y,z)，设光的真空中光程为dl，则在介质n中的光程为ndl。光在某渐变介质中传播时，光线行进所花费的时间可表示为：

其中v为光在介质n中传播速度，c为光速。

根据费马原理，对上式求时间的极小值，得到光在渐变折射率的介质中传播轨迹；

为方便理解光路弯曲原理，对上述积分关系式进行简化处理。为了使得问题简化，令渐变折射率介质的折射率只沿着竖直方向变化n＝n(y)。

如图5所示将介质沿着y轴方向分成无数个薄层，设每个薄层折射率都为常数，假设光初始入射时初始角为θ

由光的折射定律可得：

n

其中，θ

将(2)带入(3)式得：

这样就可以得到光在渐变介质中的轨迹方程为:

其中，x(y)表示横向(前后)坐标。

在本实验中，通过折射率可以得到光线的轨迹，相反，如果得知光在介质中的轨迹方程，就能够反推出介质折射率。

本实施例中，所述S4根据温度传感器采集的甘油上下层的温度数据，绘制甘油的折射率与温度梯度曲线，具体包括：

S401、通过温度传感器对透明有机玻璃容器不同深度温度进行测量，用matlab模拟出透明有机玻璃容器内的温度分布图，如图7所示，得到甘油在不同温度下的折射率。甘油在不同温度下的折射率见下表：

表1：甘油n-t变化关系

根据表中甘油的折射率随温度变化可得出经验公式(以20℃为基准)：

n(t)＝n(20)-0.00237(t-20)(6)

其中，t表示甘油的温度。

如图6所示，画出折射率与温度梯度曲线。

可知随液面深度增加折射率随之增加，即甘油折射率随温度梯度增加而减小，从而解释了本装置光路径迹弯曲的物理原理。

综上，本发明提供的光路折射试验装置以及方法，使用甘油为介质，通过创造温度差形成密度差进而形成折射率差，操作简单，单人操作即可完成；无需制备溶液，无需等待较长时间，可快速观察到现象；可重复使用，减少资源浪费；可快速建立大尺度温度梯度场，探究温度对实验现象的影响。

在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的组成，结构或部件，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。

本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。在以上描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的技术，例如具体的施工细节，作业条件和其他的技术条件等。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。