专利名称：海市蜃楼演示仪的制作方法
技术领域：
本发明属于物理教学及科普演示仪器。
海市蜃楼是大自然奇观，人们久闻其名，却很难实地观察，故对其解释不够深入，需要物理实验提供研究的条件和验证的依据，由此获得科学的说明。目前，国内、外所采用的是液体分子扩散法在玻璃容器内配液演示此类现象(物理实验85年2月5卷1期)，其主要不足是(1)一次配液到演示时间太长，约20小时。
(2)不能人为控制液层中折射率的变化，至使演示内容单调、死板。
(3)无成型的演示仪器，不便于操作控制，更无法用于课堂上的即时表演。
为了弥补以上的不足，快速、方便地演示各种有趣的蜃景现象，并能配合物理教学演示光线在不均匀介质中连续折射而发生弯曲的现象，因而发明了这台采用变折射率渗漏法及结构设计独特的海市蜃楼演示仪。
“海市蜃楼”简称蜃景，是一种罕见的大自然奇观。从物理教学上看，它是光的连续折射现象的一个典型实例。为便于课堂上表演此现象，我们设计出一种快速演示“蜃景”的新方法，并研制出一套仪器，可方便的在几分钟内造成一种透光介质，使其折射率随高度连续变化，形成一定的折射率梯度，类似自然界呈现“海市”时空气折射率的变化情况，这样，当光线通过此介质时，就会连续折射而弯向折射率大的一边，人们根据视觉经验，逆光反推过去，就“看”到了蜃景及出现的位置，图1，图2。
我们知道，不同的液体具有不同的折射率;液体的浓度不同其折射率也不同，要做到液体的折射率随高度连续变化，只要使该液体的浓度随高度连续变化即可，下面举例说明这种快速配液的方法。
可选用的液体有好多种，较便宜的是采用盐溶液，这里，就选盐溶液来讨论。仪器构造如图3、图4。上方为配液槽，配液槽由A、B、C三室构成。实验开始前A室盛盐溶液，B(或C)室盛清水，因B室内清水比A室内盐溶液的液面高得多，所以由液面高度差引起一定的压力差。实验开始后，打开A、B两室间的混液限流开关，B室的清水在压力差的作用下喷进A室，使A室的溶液迅速混合均匀。因B室的溶液不断地涌入A室，则A室内溶液的浓度不断地变化，同时通过打开的A室旋扭开关流进匀液槽后再落入渗漏浮槽。渗漏浮槽的底部有数目很多的细孔，使落入槽内的液体较缓慢地渗进下方的透明观察槽。该槽为长方形，四壁光学性能良好。浮槽随着液面的升高而升高。由于A室内盐溶液的浓度随时间连续变小，就造成了观察槽中溶液的折射率随着高度的增加而连续减小。配液结束后，将激光光束射进此介质，就会看到光束明显地向下弯曲，如图5，在观察槽后方适当的位置放置景物，并由前方向后方观察，就会看到除实物外，在其上方还有它的象，就是说象的位置比实物上移了，这种“蜃景”称为“上现蜃景”。
透明观察槽中盐溶液的浓度与高度的关系可以推导如下分两步进行。第一步先分析配液槽A室内盐溶液的浓度随时间变化的情况。设初始时刻t＝0时，A室盐溶液的浓度为C0，体积为V0，任一时刻t时，其体积为V，含盐量为X，则其浓度为C＝ (X)/(V) (1)
控制B室与A室间的混液限流开关，使每秒流入A室的清水流量为Q1，A室通过旋扭开关流出的流量为Q2，均保持不变，则V＝V0-(Q2-Q1)t (2)且有(dx)/(dt) ＝-Q2C (3)解此方程得c=c0(1-Q2-Q1V0t)Q1Q1-Q1.......(4)]]>第二步来分析观察“蜃景”的透明观察槽中盐溶液的浓度与液层高度的关系，设观察槽的底面积为S，液层从槽底往上的高度用h表示，在t＝t0时刻渗漏浮槽开始有水渗到观察槽内，其流量与从A室流出的流量相等，则h＝Q2(t-t0)/s (5)由(4)和(5)可求得c=c0(1-(Q2-Q1)(hs+Q2t0)Q2V0)Q1Q1-Q1(6)]]>由此式可以看出浓度c与h的关系在很大程度上受Q1、Q2的控制。因此，只要实验者随时调节混液限流开关，就可以任意改变透光介质的折射率的空间分布。得到相应的“蜃景”。
如先在A室中盛部分清水，在B室中盛酒精，配液结束时，在观察槽中酒精溶液的浓度是随着高度的增加而连续增大，因而折射率也随高度而连续增大，射入的激光光束向上弯曲，如图6，其折射率的分布情况与炎日下的沙漠上方的空气类似，可以演示“上现蜃景”。根据需要，还可在观察槽中同时演示出“上现”、“下现”等多种复杂“蜃景”。
发明内容
概要1.变折射率的渗漏法，其特点是能够快速地(10分钟内)配制随高度而改变折射率的透光介质。由此种折射率随高度而变的液体介质代替折射率随高度而变的大气介质来模拟海市蜃楼现象。
2.按上述的变折射率渗漏法，是取两种(或三种)比重接近，折射率相差较大、能溶合的透明液体，依靠其中一种(两种)比重较小、液面较高的液体的压力冲击另一种比重较大、液面较低的液体，由于前一种液体的比重比后一种液体的比重略小，它在液体压力差的作用下涌进后一种液体后会上升，由于冲击速度较大，搅拌作用较强，使这两种(或三种)液体在短时间内能迅速混合均匀。得到折射率随时间而改变的混合液。同时，部分混合液不断的流出被取走，保持了两个液面的压力差。
3.按1所述的变折射率渗漏法采用了渗漏浮槽，它可以承接上方下落的随时间而改变折射率的混合液并及时地将此混合液从底部的小孔中渗漏下去。渗漏的液体速度较慢，对下层的液体扰动很小，浮槽一边平缓地渗漏混合液，一边随液面上浮，就使折射率随时间连续变化的透明混合液能按高度均匀排列起来。
4.海市蜃楼演示仪，它的特征在于由一套配液结构喷液连通管、混液限流开关、匀液槽、渗漏浮槽所构成，保证了折射率随高度而分布的透光介质的快速配制成功。
5.按4所述的海市蜃楼演示仪在于采用了一个多孔的喷液连通管。喷液管的长度略小于配液槽A室(混液室)底面积的长度，管壁四周分布着许多小孔，孔径为0.5-1mm，依靠此喷液连通管使一种液面较高，因而压力较大的液体冲进另一种液体，使两者迅速混合，混合液中两种液体比例的变化影响了混合液折射率的变化。
6.按4所述的海市蜃楼演示仪，其特征在于采用了一个混液限流开关。该开关是由一个带尖劈的表面和一个带尖槽的表面相楔合，夹住连通两种液体的乳胶管，并由螺旋旋扭控制夹紧的程度限制液体流量。从发明方案中公式(6)可以看出，控制此流量Q1的大小，将影响到透明介质中折射率的分布情况。如在配液过程中，不断调节Q1就可以得到各种不同的蜃景。
7.按4所述的海市蜃楼演示仪，特征在于采用了一个匀液槽。匀液槽小于渗漏浮槽，使上方流下的混合液均匀地分布而落到渗漏浮槽上，使渗漏浮槽受水的冲力均匀，不左右摇荡。匀液槽底部有多个漏水孔，孔径约为0.5-1mm，且此小孔的孔径是由槽中心向外侧逐渐增大。
8.按4所述的海市蜃楼演示仪，特征在于采用了一个渗漏浮槽，其底面积略小于观察槽的内截面，浮槽周围有阻挡液体外溢的拦框，槽底板厚2-3mm，底面有很多细孔，每平方厘米约2-4个，孔径约为0.35-0.5mm。细长的小孔使渗漏的液体对下层液体冲力很小。在浮槽底部四周设有空心浮管起浮力作用，保证浮槽浮在液面上。其底面刚好接触观察槽中的液面。
演示内容(1)光线在折射率随高度的增加而连续减小的透光介质中连续向下弯曲(图8)(2)模拟海面上海市蜃楼的现象。其蜃景象成在实物的上方，称为上现蜃景。其成象的形态、成象的个数与观察的位置、实物的位置及配液时的流量控制有关，可形成不同的上现蜃景，下面举几例。
〔图9(a)、(b)、(c)〕说明(a)最下方为帆船模型实物，中间一正一倒两个象为模型的蜃景象，最上方为水面反射象。(提高水面可消除水面反射象)(b)实物在虚影的下边沿处，上方为楼房、烟囱、岛屿模型被压缩变形了的蜃景象。
(c)与图9(b)中相同的模型呈现的被拉伸、提高了的蜃景象。
(3)光线在折射率随高度的增加而连续增大的透光介质中连续折射向上弯曲。(图10)(4)模拟沙漠上或马路上的海市蜃楼景象。其成象在实物的下方，称为下现蜃景。也可由(2)中所述因素的影响而产生不同的蜃景象，现举两例(图11)。
说明(a)演示仪后方是两个相同且对称的箭头的模型，左边的箭头在其下方的透光介质中成蜃景象。
(b)右边透光介质后方是与左方完全相同且对称的一个箭头模型，右边箭头成象在它的下方，并产生正、倒、正一系列蜃景象。
(5)在演示仪后方放一个红色圆形太阳的模型，模拟日出时太阳的一些特殊变形现象。(图12)
优点及积极效果海市蜃楼演示仪有以下优点(1)快速(10分钟以内)演示的优点。它比目前采用的分子扩散法演示，时间缩短150-200倍。
(2)能人为控制折射率随高度变化的优点;不仅能演示多种上现蜃景(原扩散法只能演示一种上现蜃景)，还能演示沙漠上出现的那种下现蜃景及其它复杂蜃景。
(3)操作控制简便，可见度大，重复性好等仪器化后体现出来的优点。
(4)用液体折射率的连续变化代替大气折射率的变化来模拟海市蜃楼现象。该演示仪器体积小，重量轻，成本低。适于大、中学教学演示，便于推广、普及。
海市蜃楼演示仪有以下积极效果(1)快速、即时演示的特点适合于物理教学的课堂演示。
(2)体积小、重量轻、成本低、便于操作控制等特点，使仪器容易推广、普及。
(3)丰富、生动的演示内容的特点适合于陈列在科技馆和旅游场所，引起人们的兴趣，向人民进行科学普及教育。
(4)可迅速配成分布不同的变折射率的透光介质-为变折射率光学现象的研究提供一定的条件和依据。
(5)通过对海市蜃楼现象的模拟研究，不仅证实了以前对海市蜃楼成象比实物位置提高(或降低)的解释，还对海市蜃楼的成象比实际景物放大、位置移近、成象的个数、成象的倒、正等问题分解剖析，提出了一些新的看法。这对于揭开海市蜃楼这一自然奇观的奥秘，起到了一定的积极作用。
实施例一种上现蜃景的演示步骤1.将10%的食盐溶液注入观察槽内约2Cm高度。
2.将渗漏浮槽放在透明观察槽内的盐溶液上。
3.将配液槽连同匀液槽架在透明观察槽上。
4.将同浓度的盐溶液注入配液槽A室约15Cm高度。
5.在配液槽B室(或C室)中注入清水约25Cm高度。
6.打开A室旋扭开关，盐溶液开始流入匀液槽后再落入渗漏浮槽，然后再从小孔渗漏下去，浮槽同时上浮。
7.打开混液限流开关，保持一定的流量让清水涌入A室。不到10分钟渗漏浮槽浮至透明观察槽边沿时，关掉各开关。此时，随高度变折射率的透光介质即配成。
8.如把景物模型放在距桌边沿约20-30Cm处，略低于桌面高度的位置(图7)，让眼睛通过空气观察时刚好看不到景物模型，此时，将配好透光介质的透明观察槽，移至桌边沿，让眼睛通过透光介质观看景物模型，可看到在景物模型上方成蜃景象，随着观察位置远、近、高、低的变化，出现的上现蜃景象也各不相同。
如按权利要求2所述的条件，选取不同的液体或配液过程中调整混液限流开关，可得到各类蜃景，如图8-12所示。
说明书
图1 真空“海市”呈现光路图1 实物2 象3 眼睛图2 演示“蜃景”成象光路图1 实物
2 象3 眼睛图3 海市蜃楼演示仪示意4 海市蜃楼演示仪结构图4 配液槽(分为A、B、C三室)5 混液限流开关6 喷液连通管7 匀液槽8 旋扭开关9 渗漏浮槽10 透明观察槽图5 激光束在折射率随高度的增加而连续减小的透光介质中向下弯曲11 激光器图6 激光束在折射率随高度的增加而连续增大的透光介质中向上弯曲11 激光器图7 模拟海市蜃楼的一个实施例1 实物2 象3 眼睛图8 光线在折射率随高度的增加而连续减小的透光介质中连续向下弯曲图9 上现蜃景(a) 帆船模型的蜃景(b) 压缩变形了的蜃景象(c) 被拉伸了的蜃景象图10 光线在折射率随高度的增加而连续增大的透光介质中连续折射向上弯曲图11 模拟沙漠上或马路上的海市蜃楼景象(a) 左边箭头的蜃景象(b) 右边箭头的蜃景象图12 模拟日出时太阳的蜃景象
权利要求
1.一种变折射率渗漏法，其特征在于采用折射率不同的透明液体及渗漏浮槽等配件，快速配制随高度而改变折射率的透光介质。
2.按权利要求1所述的变折射率渗漏法，其特征在于取两种(或三种)折射率相差较大，比重接近，能溶合的透明液体，依靠其中一种(或两种)比重较小、液面较高的液体的压力冲击另一种比重较大、液面较低的液体，使之两种(或三种)液体在短时间内充分混合，在此混合过程中，不断地获取折射率随时间连续改变的透明混合液。
3.按权利要求1所述的变折射率渗漏法，其特征在于采用了渗漏浮槽，它既承接了上方下落的随时间而改变折射率的液体，又及时地将它从小孔中平缓地渗漏下去而对下层液体扰动很小，使之折射率随时间连续变化的透明液体能按高度均匀排列。
4.一种海市蜃楼演示仪，其特征在于由一套配液结构喷液连通管(6)混液限流开关(5)匀液槽(7)渗漏浮槽(8)所构成。
5.按权利要求4所述的海市蜃楼演示仪，其特征在于所采用的喷液连通管(6)的长度略小于配液槽A室底面积的长度，且具多孔，孔径约为0.5-1mm，均匀地分布在喷液管壁的各个方向。
6.按权利要求4所述的海市蜃楼演示仪，其特征在于混液限流开关(5)是一个控制夹，夹住流通液体的乳胶管调节液体流量，控制夹两个内表面分别是一个尖劈和一个尖槽相楔合，并由螺旋旋扭控制其楔合的紧密程度。
7.按权利要求4所述的海市蜃楼演示仪，其特征在于一个匀液槽(7)其面积小于渗漏浮槽，底面上有多个漏水孔，其孔径约为0.5-1mm，且由槽中心向外侧各小孔的孔径渐大。
8.按权利要求4所述的海市蜃楼演示仪，其特征在于渗漏浮槽(8)的底面积略小于观察槽的内截面，浮槽周围有阻挡液体外溢的拦框，槽底面有多个细孔，每平方厘米约2-4个，其孔径约为0.35-0.5mm，在浮槽底部四周设有空心浮管，使浮槽底面刚好接触观察槽内的液面并随液面上浮。
全文摘要
海市蜃楼演示仪属于物理教学及科普演示仪器。以独创的变折射率渗漏法配制透光液体，及设计新颖的混液、喷液、渗漏等结构。演示光线在非均匀介质中的弯曲现象及自然界的奇观——海市蜃楼现象，包括海面上和沙漠上出现的各类蜃景、太阳变形等奇异现象。演示直观生动，内容丰富多彩，趣味性强，重复性好，可见度大，操作简便、迅速，可供大、中学教学；科技馆，旅游场所科普教育及变折射率光学的研究之用。
文档编号G09B23/22GK1053315SQ9010004
公开日1991年7月24日 申请日期1990年1月9日 优先权日1990年1月9日
发明者江小明, 虞昊 申请人:山东省烟台大学