[实用新型]一种引力波产生与探测模拟装置

说明书

本实用新型公开一种引力波产生与探测模拟装置，包括实验台，实验台上设有激光器、干涉条纹观察板、反射镜A、分光镜；实验台的左侧连接有上端敞口的水箱，水箱与实验台相对的一内侧壁上固定有反射镜B；干涉条纹观察板、分光镜和反射镜A的中心位于第一直线上，反射镜B、分光镜和激光器发射端的中心位于第二直线上；水箱上方连接有引力波发生装置。本实用新型用模拟实验来代替真实的前沿探究过程，根据相似性原理用模型来代替研究对象，可以避免抽象、复杂的物理学原理，通过简单的演示让学生理解实验的基本过程，并且富有趣味性。

技术领域

本实用新型涉及引力波实验教学，具体涉及一种引力波产生与探测模拟装置。

背景技术

宇宙中的引力波源有许多种，其中最常见的就是中子星联星产生的引力波。中子星是几乎完全由中子构成的密度极高的天体。1立方厘米的质量高达10亿吨左右。当两个中子星围绕着共同的引力中心运转时，则组成双星。高密度、大质量的中子星所组成的联星公转时会连续不断地引发时空弯曲，从而形成引力波，扩散到四面八方。而且，该时空弯曲会随着两个中子星的公转连续不断地产生，并形成引力波，扩散到周围的时空中。

探测引力波将直接验证广义相对论的一大预言，提供强场中引力行为的最好检验。其次，引力波信号所蕴含的天体物理信息很多将无法由传统天文学手段获得。这意味着引力波探测将开启人类观测宇宙的一个全新的窗口。例如：引力波使我们可以直接“窥探”黑洞的形成、双黑洞系统的并合或者蕴藏有超大质量黑洞的星系核中心，测量中子星的内部结构和物态，了解超新星爆炸的内部过程，揭开伽玛射线暴的前身系统之谜等。由于引力波几乎不与物质发生相互作用，原初引力波背景的探测可以使人类观测宇宙的极限往前推到宇宙大爆炸初期(直至普朗克时标10-43s)，研究暴涨和相变等极早期物理过程。

目前，采用激光干涉仪引力波探测器对其进行探测。激光干涉仪引力波探测器是一台“变异”的迈克尔逊干涉仪。从激光器发出的一束单色的频率稳定的激光，在分光镜上被分为强度相等的两束，一束经反射进入干涉仪的臂，另一束透过分光镜进入与其垂直的另一臂。经臂末端镜子反射，两束光折回并在分光镜上相遇，产生干涉。设干涉仪的臂长为L，两个臂长相等，即L1＝L2，往返一次产生的相移相同。由于从分光镜反射的光有半波损失，两束光干涉减弱，这时无光线进入，探测器输出信号为0。当引力波到来时，由于它的极化特性，两个臂的长度做相反的变化，即一臂伸长时另一臂相应缩短，从而使两束相干光有了光程差，破坏了相干减弱的初始条件，有光线进入光探测器，光探测器有信号输出，该信号的大小与光程差(即引力波强度)有关。探测到这个信号即表明探测到引力波。

《2017普通高中物理课程标准》的基本理念要求物理课程需体现课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求。这就要求中学生了解物理学的前沿发展。但是，要解释清楚前沿领域的研究问题，往往离不开量子力学、统计力学这些中学尚未涉及专业知识。在学习现代物理时，很多人都会碰到来自数学、物理的各种困难。其中有一点是因为：现代物理学所使用的仪器不像经典物理中的实验仪器一样简单直观，往往是非常大型非常精密的仪器，其原理也更加复杂，这将导致学习者对如此高精尖的仪器产生心理畏惧，觉得自己离这样的仪器还有很远的距离。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述技术问题提供一种引力波产生与探测模拟装置，用模拟实验来代替真实的前沿探究过程，根据相似性原理用模型来代替研究对象，可以避免抽象、复杂的物理学原理，通过简单的演示让学生理解实验的基本过程，并且富有趣味性，将原本看似高高在上的现代物理实验摆上讲台，帮助学生能够更有效的掌握引力波的相关知识。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：