[发明专利]液体折射率与温度关系的实验装置与实验方法

说明书

技术领域

本发明属于光学实验设备或装置技术领域，具体涉及液体折射率的实验仪器。

背景技术

介质折射率与温度的关系，是大学光学中的重要问题之一，更是大气光学、光学通信、海洋光学中重要的基础内容。研究表明，大气作为一种连续介质，其折射率是温度的函数，这主要是由于空气中的温度分布直接决定其密度分布，而介质密度与其折射率又直接相关，密度大，则折射率大；密度小，则折射率小。因此，大气低温区域的折射率大于高温区域的折射率，这一规律使光束通过非均匀温度区域时，向大气低温区域的弯曲传输。对于大气折射率与大气温度分布的关系，在课堂或实验室进行直观地实验演示，更有益于学生对这一物理规律的认识。但由于大气的热容量很小，在实验室的有限空间内，很难建立大的空气梯度温度场，即学生无法在实验室通过光线向低温区域弯曲传输，观察、理解大气折射率与大气温度分布的关系。透明固体介质折射率与温度关系的研究，在光纤通信领域具有重要意义，但在一般基础光学实验室不具备进行透明固体介质折射率与温度关系实验研究的仪器和条件。

水作为另一种流体，密度介于气体与固体之间，性质和运动规律与大气非常相近，水的热容量比空气大得多，与气体和透明固体材料相比，更容易在有限体积的水中建立高梯度温度场，在实验室条件下，容易实现介质折射率与温度关系的研究。但目前没有见到类似的用于学生实验的实验研究仪器。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的液体折射率与温度关系的实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用液体折射率与温度关系的实验装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有光具座，光具座左侧面上设置外表面粘贴有坐标纸的光屏，光具座的右侧底座上设置有激光器支架，激光器支架上设置有半导体激光器和光束整形透镜组，在光具座上设置有水平截面为正三角形的透明水槽，透明水槽内的中心线与光具座的中心线相重合，正三角形的底边在透明水槽的前侧壁上并与底座的前侧面平行，透明水槽的前侧壁上设置安装有半导体制冷片的半导体制冷片支架，半导体制冷片支架和半导体制冷片浸入水中，半导体制冷片的热面与水平面垂直、与透明水槽的前侧壁平行，透明水槽的前侧壁垂直方向上设置有1列浸入水中的温度传感器，透明水槽的前侧外壁上设置有通过导线与每个温度传感器相连的温度显示器。

本发明的半导体制冷片的水平中心面与透明水槽的水平中心面位于同一个水平平面内。

本发明的一个温度传感器与相邻一个温度传感器的中心线之间的距离为1cm，

本发明的光具座的几何形状为圆盘形。

本发明的光屏为圆弧形，光屏的圆心角为100°。

本发明的半导体制冷片的几何形状为长方体。

本发明的光束整形透镜组为：扩束棱镜、平凸柱透镜设置在激光器支架上，扩束棱镜、平凸柱透镜位于半导体激光器出射光束的方向上，激光束经过扩束棱镜扩束，再经过平凸柱透镜成为矩形片光。

使用上述液体折射率与温度关系的实验装置的实验方法由下述步骤组成：

1)接通半导体激光器的电源，调整半导体激光器与光束整形透镜组的位置，使光束整形透镜组输出的矩形片光透过没有装水的透明水槽后，投射在光屏上的光带与水平面垂直，读取垂直光带在圆弧形光屏坐标纸竖直标度线上的圆周角值；

2)在透明水槽内注满水，在坐标纸上观察矩形片光透过透明水槽内的水折射投射的垂直光带，转动透明水槽，按照三棱镜折射率最小偏向角测量法，在坐标纸上找到与最小偏向角对应的垂直光带位置，读取当前垂直光带所处位置的圆周角值，步骤1)中坐标纸上垂直光带的圆周角值与本步骤中垂直光带圆周角值的差，为透明水槽中水处于当前温度状态矩形片光透过时的最小偏向角。

3)接通半导体制冷片电源5分钟后，在透明水槽内的水中形成下低上高连续变化的梯度温度，在温度显示器上观察透明水槽内水温在高度方向上的分布值，同时观察光屏上折射光带的形状变化，并在坐标纸上标记这时的光带形状。

4)在坐标纸上读取矩形片光中通过透明水槽内各个温度传感器所在高度处的光线在倾斜光带上对应投射点的圆周角值，按步骤2)的方法，得到矩形片光通过透明水槽各个温度传感器所在高度处水温对应的最小偏向角δ_min。用三棱镜折射率最小偏向角测量法公式

n＝2sin(30+δ_min/2)

计算出各个温度传感器所在位置的水温对应的折射率值n。