海市蜃樓演示裝置的改進

尹學愛

(濱州學院 物理與電子科學系,山東 濱州 256603)

1 引 言

海市蜃樓是一種物理現(xiàn)象，可通過人工的方法，控制某種相同介質的變化量，就可以在實驗室內(nèi)看到神奇的海市蜃樓景觀. 海市蜃樓實驗儀是通過模擬自然界難以形成的條件來實現(xiàn)海市蜃樓的人工形成，用來供學生觀察和探索了解這一現(xiàn)象形成的原理，提高教學水平與學習效率[1].

2 目前演示實驗裝置中存在的缺點

目前大多數(shù)學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構可以用圖1示意[2]. 該現(xiàn)象可通過物理儀器演示，但當前的設備制作粗糙，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，然后靠鹽溶液溶質的自由擴散作用，在6 h后鹽溶液與清水交接處形成了擴散層，液體折射率由下向上逐漸減小，產(chǎn)生密度階梯，此時液體配制完畢[2-3]. 該方法雖然法操作簡單，但缺點在于制作周期長，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間后就會消失，不符合當前的課堂教學實驗要求.

圖1 海市蜃樓演示裝置示意圖

3 改進措施

對于海市蜃樓裝置的改進(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)定質量分數(shù)的溶液，依次通過抽水電機緩慢穩(wěn)定地通過儀器壁上設置的注水孔注水，可克服人工加水帶來的影響[4]. 薄膜的抽離由手動改為側邊的滾軸卷動薄膜收回，滾軸由外部電機帶動，不影響后期的觀察. 最后由單片機整合所有的元器件，通過編程來實現(xiàn)自動化，進而實現(xiàn)控制整臺儀器實驗的進行，且可單人快速操作. 具體改進措施包括4個部分.

圖2 改進后的海市蜃樓裝置

3.1 薄膜的自由控制

薄膜的質地柔軟，可通過滾軸卷動收藏在很小的空間里，電機帶動以PVC管為基礎的滾軸來卷動薄膜，收藏在儀器水箱的側部，最大限度地減小了抽離薄膜對介質溶液的穩(wěn)定性的影響. 通過控制模塊，實現(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，在儀器左側由滾軸控制薄膜的收回，滾軸隱藏在儀器側壁上有機玻璃組成的暗盒內(nèi)，滾軸與外部齒輪相連，用鏈條把3個齒輪組合成轉動組，可實現(xiàn)穩(wěn)定、快速地抽離薄膜. 由設置在外部電機提供動力，由減速直流電機帶動轉動組上的3個薄膜滾軸來進行轉動收回.

3.3 折射介質方面

原先的儀器加入鹽溶液是人工直接加入，這樣會使溶液在短時間內(nèi)穩(wěn)定不下來. 經(jīng)過改進，改為用電機通過4個注水孔從下到上依次勻速注入到儀器內(nèi)，每層溶液的鹽質量分數(shù)從下到上依次減小(溶液質量分數(shù)由多次實驗計算得出，每層都有固定質量分數(shù))，可以在短時間內(nèi)使液體恢復穩(wěn)定.

3.4 整合控制方面

由單片機(AT89S52)來控制全部的電子器件(電機、抽機、溫度傳感器、控溫設備)，由一液晶顯示器顯示各項監(jiān)控數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)自動調節(jié)，外部有按鈕用來人工控制各項功能(如開機、配置開始、保持穩(wěn)定等).

4 結束語

物理實驗演示關鍵在于快速、直觀地得到需要的結果，同時也要求儀器的操作簡單，實驗成功率高. 改進后的裝置滿足上述要求，演示結果直觀、清晰，而且保持時間較長，適合實驗教學和科普展覽等公共場所使用，有很大的推廣潛力.

參考文獻：

[1] 陳培杰,歐陽為民. 模擬海市蜃樓實驗的配液新方案[J]. 大學物理,2007,26(4):51-53.

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

[3] 胡安正. 海市蜃樓演示實驗裝置的創(chuàng)新改造[J]. 實驗技術與管理,2007,24(7)：61-63.

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