海市蜃樓演示裝置的改進(jìn)

尹學(xué)愛(ài)

(濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系,山東 濱州 256603)

1 引 言

海市蜃樓是一種物理現(xiàn)象，可通過(guò)人工的方法，控制某種相同介質(zhì)的變化量，就可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)看到神奇的海市蜃樓景觀. 海市蜃樓實(shí)驗(yàn)儀是通過(guò)模擬自然界難以形成的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)海市蜃樓的人工形成，用來(lái)供學(xué)生觀察和探索了解這一現(xiàn)象形成的原理，提高教學(xué)水平與學(xué)習(xí)效率[1].

2 目前演示實(shí)驗(yàn)裝置中存在的缺點(diǎn)

目前大多數(shù)學(xué)校和儀器廠家研制的海市蜃樓演示裝置的蜃景成因和裝置結(jié)構(gòu)可以用圖1示意[2]. 該現(xiàn)象可通過(guò)物理儀器演示，但當(dāng)前的設(shè)備制作粗糙，形成現(xiàn)象慢，是用1層塑料薄膜使清水與鹽溶液隔離，待2層溶液穩(wěn)定后，用手抽離薄膜，從而在2層溶液之間形成了密度相差很大的分層，然后靠鹽溶液溶質(zhì)的自由擴(kuò)散作用，在6 h后鹽溶液與清水交接處形成了擴(kuò)散層，液體折射率由下向上逐漸減小，產(chǎn)生密度階梯，此時(shí)液體配制完畢[2-3]. 該方法雖然法操作簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于制作周期長(zhǎng)，需要6 h的等待，形成的液體穩(wěn)定性差，理想效果保持一定時(shí)間后就會(huì)消失，不符合當(dāng)前的課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求.

圖1 海市蜃樓演示裝置示意圖

3 改進(jìn)措施

對(duì)于海市蜃樓裝置的改進(jìn)(如圖2)，由1層清水與飽和鹽水分界薄膜增加為3層隔水薄膜，每層薄膜之間都有特定間距. 溶液也由原先的2種改為4種規(guī)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，依次通過(guò)抽水電機(jī)緩慢穩(wěn)定地通過(guò)儀器壁上設(shè)置的注水孔注水，可克服人工加水帶來(lái)的影響[4]. 薄膜的抽離由手動(dòng)改為側(cè)邊的滾軸卷動(dòng)薄膜收回，滾軸由外部電機(jī)帶動(dòng)，不影響后期的觀察. 最后由單片機(jī)整合所有的元器件，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制整臺(tái)儀器實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，且可單人快速操作. 具體改進(jìn)措施包括4個(gè)部分.

圖2 改進(jìn)后的海市蜃樓裝置

3.1 薄膜的自由控制

薄膜的質(zhì)地柔軟，可通過(guò)滾軸卷動(dòng)收藏在很小的空間里，電機(jī)帶動(dòng)以PVC管為基礎(chǔ)的滾軸來(lái)卷動(dòng)薄膜，收藏在儀器水箱的側(cè)部，最大限度地減小了抽離薄膜對(duì)介質(zhì)溶液的穩(wěn)定性的影響. 通過(guò)控制模塊，實(shí)現(xiàn)薄膜抽出與抽回的自由控制.

3.2 分液方面

在不影響最后觀察視野的情況下增加了2層(共3層)分液薄膜，在儀器左側(cè)由滾軸控制薄膜的收回，滾軸隱藏在儀器側(cè)壁上有機(jī)玻璃組成的暗盒內(nèi)，滾軸與外部齒輪相連，用鏈條把3個(gè)齒輪組合成轉(zhuǎn)動(dòng)組，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速地抽離薄膜. 由設(shè)置在外部電機(jī)提供動(dòng)力，由減速直流電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)組上的3個(gè)薄膜滾軸來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)收回.

3.3 折射介質(zhì)方面

原先的儀器加入鹽溶液是人工直接加入，這樣會(huì)使溶液在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定不下來(lái). 經(jīng)過(guò)改進(jìn)，改為用電機(jī)通過(guò)4個(gè)注水孔從下到上依次勻速注入到儀器內(nèi)，每層溶液的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從下到上依次減小(溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)由多次實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出，每層都有固定質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可以在短時(shí)間內(nèi)使液體恢復(fù)穩(wěn)定.

3.4 整合控制方面

由單片機(jī)(AT89S52)來(lái)控制全部的電子器件(電機(jī)、抽機(jī)、溫度傳感器、控溫設(shè)備)，由一液晶顯示器顯示各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，外部有按鈕用來(lái)人工控制各項(xiàng)功能(如開(kāi)機(jī)、配置開(kāi)始、保持穩(wěn)定等).

4 結(jié)束語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)演示關(guān)鍵在于快速、直觀地得到需要的結(jié)果，同時(shí)也要求儀器的操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)成功率高. 改進(jìn)后的裝置滿足上述要求，演示結(jié)果直觀、清晰，而且保持時(shí)間較長(zhǎng)，適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科普展覽等公共場(chǎng)所使用，有很大的推廣潛力.

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳培杰,歐陽(yáng)為民. 模擬海市蜃樓實(shí)驗(yàn)的配液新方案[J]. 大學(xué)物理,2007,26(4):51-53.

[2] 陳曉莉. “海市蜃樓”現(xiàn)象成因分析及模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2005,21(2):20-21.

[3] 胡安正. 海市蜃樓演示實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新改造[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,24(7)：61-63.

[4] 江小明,虞昊. 演示“海市蜃樓”的實(shí)驗(yàn)[J]. 大學(xué)物理，1991，10(1)：25-27.