在水中建立梯度溫度場的實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學教學演示實驗儀器技術領域，具體涉及到流體折射率與溫度關系的實驗演示裝置。
【背景技術】
[0002]大氣折射率隨大氣溫度分布的變化規律，是大氣光學的基礎內容。研宄表明，大氣作為一種連續介質，其折射率是溫度的函數，主要由于空氣中的溫度分布直接決定密度分布，而介質密度與折射率又直接相關，密度大、折射率大，密度小、折射率小。因此大氣低溫度區域的折射率大于高溫度區域的折射率，這一規律使光束通過非均勻溫度區域時，向大氣低溫度區域的彎曲傳輸。對于上述大氣折射率與大氣溫度分布關系，在課堂或實驗室進行直觀的實驗演示，更有益學生對這一物理規律的認識。但由于大氣的熱容量很小，在實驗室的有限空間內很難建立大的空氣梯度溫度場，即學生無法在實驗室通過光線向溫度低區域彎曲傳輸，觀察、理解大氣折射率與大氣溫度分布的關系。水作為另一種流體，其性質和運動規律與大氣非常相近，同時水的熱容量比空氣大得多，容易在有限體積水中建立高梯度溫度場，即容易通過觀察光線在水中彎曲傳輸方向和高梯度溫度場的溫度分布值，使學生直觀感受流體介質折射率與溫度的關系。但目前沒有見到類似的用于學生實驗的實驗儀器。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題在于提供一種設計合理、結構簡單、演示效果直觀的在水中建立梯度溫度場的實驗裝置。
[0004]解決上述技術問題所采用的技術方案是:在底座上放置有透明水槽，透明水槽內裝滿水，透明水槽內的前側壁和后側壁上至少設置有I個半導體制冷片支架，每個半導體制冷片支架上設置有I個半導體制冷片，半導體制冷片支架和半導體制冷片浸入水中，半導體制冷片上表面到水面的距離至少為100mm，半導體制冷片的前側面為熱面或冷面，半導體制冷片的熱面與水平面垂直、與透明水槽的前側壁平行，前后兩個半導體制冷片的水平中心平面在同一個水平平面內，在透明水槽前側壁內垂直方向上設置I列溫度傳感器，透明水槽的前側壁外設置有通過導線與溫度傳感器相連的溫度顯示器，在半導體制冷片長度方向的透明水槽左側底座上設置安裝有半導體激光器的激光器支架，半導體激光器出射的激光束透過透明水槽的左側壁，經兩個半導體制冷片之間通過。
[0005]本發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、熱面與透明水槽的前側壁平行。
[0006]本發明的I列溫度傳感器中的一個溫度傳感器與相鄰一個溫度傳感器之間的距離為1mm。
[0007]本發明采用通電并浸于水中的半導體制冷片，在水槽中建立溫度上高下低的度溫度場，解決了傳統方法難以在水中快速建立非均勻溫度場的技術問題；同時基于光線傳輸過程中向折射率大的區域偏折的原理，通過觀察激光束垂穿過水中梯度溫度場后的彎曲徑跡和水槽中的溫度分布，簡便、直觀地演示了水的溫度越低，折射率越大，即實現了流體折射率與溫度關系的直觀演示。本發明裝置結構簡單、成本低，方法簡便、直觀性好，特別適合在實驗室和課堂條件下的實驗演示。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發明實施例1的主視圖。
[0009]圖2是圖1的俯視圖。
[0010]圖3是激光束垂穿過水中梯度溫度場后的彎曲徑跡照片。
【具體實施方式】
[0011]下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明不限于這些實施例。
[0012]實施例1
[0013]在圖1、2中，本實施例的在水中建立梯度溫度場的實驗裝置由半導體激光器1、透明水槽2、半導體制冷片3、底座4、激光器支架5、半導體制冷片支架6、溫度傳感器7、溫度顯示器8聯接構成。
[0014]在底座4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內裝滿水。在透明水槽2內的前側壁上固定安裝有I個半導體制冷片支架6，透明水槽2內的后側壁上固定安裝有I個半導體制冷片支架6，每個半導體制冷片支架6上固定安裝有I個半導體制冷片3，半導體制冷片支架6和半導體制冷片3浸入水中，半導體制冷片3上表面到水面的距離為100mm，兩個半導體制冷片3的幾何形狀為長方體，半導體制冷片3的前側面為熱面，通過電源連接極性的調整，也可使半導體制冷片3的前側面為冷面，也可使一個半導體制冷片3的前側面為熱面、另一個半導體制冷片3的前側面為冷面，半導體制冷片3的熱面與水平面垂直，半導體制冷片3的熱面與透明水槽2的前側壁平行，兩個半導體制冷片3的水平中心平面在同一個水平平面內。在透明水槽2前側壁內垂直方向上安裝有一列溫度傳感器7，一個溫度傳感器7與相鄰一個溫度傳感器7的之間的距離為1_，溫度傳感器7的具體個數應按照透明水槽2的高度來確定。透明水槽2的前側壁外安裝有溫度顯示器8，溫度顯示器8通過導線與每個溫度傳感器7相連，溫度傳感器7將接收到不同深度水的溫度信號轉換成電信號輸出到溫度顯示器8，溫度顯示器8顯示出透明水槽2內不同深度處的水溫。
[0015]在半導體制冷片3長度方向的水槽左側底座4上放置有激光器支架5，激光器支架5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，通過轉動半導體激光器1，實現調整激光出射方向，半導體激光器I出射的激光束透過透明水槽2的左側壁，經兩個半導體制冷片3之間通過，激光束垂穿過水中梯度溫度場后的彎曲徑跡照片如圖3所示。由圖3可見，激光束水平通過透明水槽2時，激光束向下彎曲，說明在水中建立了梯度溫度場。
[0016]實施例2
[0017]在透明水槽2內的前側壁上固定安裝有I個半導體制冷片支架6，透明水槽2內的后側壁上固定安裝有I個半導體制冷片支架6，每個半導體制冷片支架6上固定安裝有I個半導體制冷片3，半導體制冷片支架6和半導體制冷片3浸入水中，半導體制冷片3上表面到水面的距離為120_，兩個半導體制冷片3的幾何形狀以及在透明水槽2內的位置與實施例I相同，兩個半導體制冷片3的前側面為熱面，前側面與水平面垂直、與透明水槽2的長度前側壁平行，兩個半導體制冷片3的水平中心平面在同一個水平平面內。
[0018]其他零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。
[0019]實施例3
[0020]在以上的實施例1、2中，在透明水槽2內的前側壁上固定安裝有2個半導體制冷片支架6，透明水槽2內的后側壁上固定安裝有2個半導體制冷片支架6，每個半導體制冷片支架6上固定安裝有I個半導體制冷片3，半導體制冷片支架6和半導體制冷片3浸入水中，半導體制冷片3上表面到水面的距離與相應的實施例相同，4個半導體制冷片3的幾何形狀以及在透明水槽2內的位置與實施例1相同，4個半導體制冷片3的前側面為熱面，前側面與水平面垂直、與透明水槽2的長度前側壁平行，4個半導體制冷片3的水平中心平面在同一個水平平面內。
[0021]其他零部件以及零部件的聯接關系與實施例1相同。
[0022]本發明的工作原理如下:
[0023]在半導體制冷片3的電源斷開時，透明水槽2內的水溫處于常溫狀態，半導體激光器I出射的激光束在水中沿水平方向直線傳輸。半導體制冷片3接通電源，半導體制冷片3的熱面加熱靠近熱面的水，水溫升高、密度減小，在浮力的作用下向上連續迀移，同時半導體制冷片3冷面吸熱，靠近冷面的水溫降低，水溫降低、密度增大，在重力作用下，連續向透明水槽2下部迀移，透明水槽2內水中逐漸形成上高下低的梯度溫度分布，安裝在透明水槽2前側壁上不同深度的溫度傳感器7將接收到不同深度水的溫度信號轉換成電信號輸出到溫度顯示器8，溫度顯示器8顯示出透明水槽2內不同深度處水的溫度，同時采用半導體激光器I出射的激光束，水平通過透明水槽2時向下(溫度低處)彎曲，直觀地演示了水溫低，則折射率越大，實現了液體折射率與溫度關系的直觀演示。
【主權項】
1.一種在水中建立梯度溫度場的實驗裝置，其特征在于:在底座(4)上放置有透明水槽(2)，透明水槽⑵內裝滿水，透明水槽(2)內的前側壁和后側壁上至少設置有I個半導體制冷片支架(6)，每個半導體制冷片支架(6)上設置有I個半導體制冷片(3)，半導體制冷片支架(6)和半導體制冷片(3)浸入水中，半導體制冷片(3)上表面到水面的距離至少為100_，半導體制冷片(3)的前側面為熱面或冷面，半導體制冷片(3)的熱面與水平面垂直、與透明水槽(2)的前側壁平行，前后兩個半導體制冷片(3)的水平中心平面在同一個水平平面內，在透明水槽(2)前側壁內垂直方向上設置I列溫度傳感器(7)，透明水槽⑵的前側壁外設置有通過導線與溫度傳感器(7)相連的溫度顯示器(8)，在半導體制冷片(3)長度方向的透明水槽⑵左側底座⑷上設置安裝有半導體激光器⑴的激光器支架(5)，半導體激光器(I)出射的激光束透過水槽的左側壁，經兩個半導體制冷片(3)之間通過。2.根據權利要求1所述的在水中建立梯度溫度場的實驗裝置，其特征在于:所述的透明水槽(2)和半導體制冷片(3)的幾何形狀為長方體，半導體制冷片(3)的上表面與水平面平行、熱面與透明水槽(2)的前側壁平行。3.根據權利要求1所述的在水中建立梯度溫度場的實驗裝置，其特征在于:所述的I列溫度傳感器(7)中的一個溫度傳感器(7)與相鄰一個溫度傳感器(7)之間的距離為1_。
【專利摘要】一種在水中建立梯度溫度場的實驗裝置，在底座上設裝滿水的透明水槽，透明水槽內的前側壁和后側壁上至少設1個安裝有1個半導體制冷片的半導體制冷片支架，半導體制冷片支架和半導體制冷片浸入水中，半導體制冷片上表面到水面的距離至少為100mm，半導體制冷片的前側面為熱面或冷面、熱面與水平面垂直、與透明水槽的前側壁平行，前后兩個半導體制冷片的水平中心平面在同一個水平平面內，透明水槽內前側壁上設置1列溫度傳感器，透明水槽外前側壁上設通過導線與溫度傳感器相連的溫度顯示器，透明水槽左側底座上設置安裝有半導體激光器的激光器支架，半導體激光器出射的激光束經兩個半導體制冷片之間通過。
【IPC分類】G09B23/22
【公開號】CN104992600
【申請號】CN201510358994
【發明人】張宗權, 任俊鵬, 黃育紅, 楊宗立, 魯佰佐, 劉志存
【申請人】陜西師范大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月25日