Устройство для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах Советский патент 1983 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится .к учебным приборам и наглядным пособиям и предназначено для моделирования преломления световых электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, например, таких, как атмосфера и ионосфера планет, короны Солнца, поля тяготения звезд. Известно устройство для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, содержащее источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор, моде.пируюпхий действие среды, и регистрирующее устройство 1. Недостатком данного устройства является невысая точность воспроизведения закона преломления электромагнитных волн из-за неустойчивости работы рефрактора, представляюп-,его собой подогреваемую или охлаждаемую металлическую сферу, окруженную газовой средой. Для получения заданного закона изменения показателя преломления необходимо получение соответствующего градиента температур в газе, что достигается подбором среды и подогревом металлической сферы ,а для воспроизведения среды с немонотонным ходом показателя преломления необходимо производить кратковременный (импульсный) подогрев сферы, что часто сопровождается случайными турбулентными неоднородностями среды, вызывающими флуктуации показателя преломления и, следовательно, неточности воспроизведения среды и неустойчивости работы рефрактора. Цель изобретения - повыщение точности воспроизведения закона преломления электромагнитных волн и обеспечение устойчивости работы. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, содержащем источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор, моделирующий действие среды, и регистрирующее устройство, рефрактор выполнен в виде линзы, изготовленной из опгически однородного материала, толщина которой от центра к периферии изменяется по закону zw---sfB ;,. где7(Р) -толщина линзы; W)-заданный угол отклонения лучей в сферически-слоистой среде р --прицельный параметр луча; - показатель преломления материала линзы. На фиг. 1 изображено устройство для демонстрации преломления электромагнитный волн (света) в неоднородньЕх сферически-слоистых средах; на фиг. 2 - ход лучей в сферически-слоистой среде и в моделирующей линзе; на фиг. 3 - рефрактор-линза, моделирующая преломление лучей в короне Солнца; на фиг. 4 - рефрактор-линза, моделирующая преломление лучей в поле тяготения звезды; на фиг. 5 - демонстрация зависимости угла преломления от величины прицельного параметра луча Р; на фиг. 6 - демонстрация фокусирующего действия сферически-слоистой среды; на фиг. 7 - демонстрация изображений источника, наблюдаемых сквозь сферическислоистую среду. Предложенное устройство состоит из источника 1 излучения (фиг. 1), рефрактора 2 и регистратора 3. В качестве источника 1 излучения может использоваться лампа накаливания с оптической системой, дающей коллимированный пучок света, например демонстрационный диапроектор. Рефрактор 2 выполнен в виде линзы, изготовленной из оптически однородного материала. Форма поверхности линзы выполнена таким образом, чтобы закон преломления лучей (Р) в линзе был точно таким же, как и в сферически-слоистой среде. С целью упрощения изготовления одна из поверхностей линзы делается плоской. Уравнение второй поверхности Z Z(P) определяется из закона преломления лучей N sine sinf(1) Учитывая, что (Р) Ot (Р) +f(P), а tgd(P) dz Z(P)coTisbS Ii: MdP ,(2) JN-cosV(P) где Z (P) -толщина линзы; Ч(Р)-угол преломления луча в моделируемой сферически-слоистой среде; Р-прицельный параметр луча; N-показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза. Значение константы в этом выражении выбирается таким образом, чтобы во всей области изменения прицельных параметров лучей выполнялось условие Z(P)O . Выполнение линз, моделирующих преломление электромагнитных волн в таких сферически-слоистых средах, как солнечная корона и поле тяготения звезды, может быть определено для короны Солнца как f(p) - А (f ,(3) где А У - константы, зависящие от длины электромагнитной волны и распределения электронной плотности;Р - радиус Солнца; знак «- указывает на отрицательную рефракцию в короне Солнца. Согласно выражению (2) находим уравнение поверхности линзы, обечпечивающей заданное (3) отклонение лучей Z(P)-corsi-,----,(-f) (N-iHMUp; Для преломления электромагнитных волн в поле тяготения звезды V(P) гдегл- - гравитационный радиус звезды. Уравнение поверхности линзы определяется по формуле Z(p)coTisi-frj:e |, (б) При выводе формул (4) и (6) интеграл в выражении (2) вычислен приближенно, с учетом малости углов преломления Для демонстрации преломления лучей в качестве регистратора 3 используется плоский рассеивающий экран, установленный либо вдоль оптической оси рефрактора-линзы (в этом случае на экране видно продольное сечение луча), либо перпендикулярно оси (в этом случае на экране видно поперечное сечение луча). Предлагаемое устройство для демонстрации преломления электромагнитных волн (света) в неоднородных сферическислоистых средах работает следующим образом. Поток параллельных лучей, идущих от источника 1 света (фиг. 1), падает на рефрактор 2, выполненный в виде линзы. Преломленные линзой по заданному закону лучи света демонстрируются регистратором 3. В предлагаемом устройстве могут быть реализованы различные режимы работы: демонстрация зависимости угла преломления V от величины прицельного параметра луча Р (фиг. 5). Непрозрачной диафрагмой из потока параллельных лучей, падающих на линзу, выделяется узкий пучок на различных расстояниях Р от оптической оси рефрактора-линзы. Экран-регистратор расположен вдоль оптической оси линзы и На нем Наглядно видно, как преломляются лучи, имеющие различные прицельные параметры; демонстрация фокусирующего действия сферически-слоистой среды (фиг. 6). Источник света освещает всю поверхность линзы. Экран-регистратор устанавливается либо вдоль оси линии (при этом на нем видно продольное сечение фокальной области линзы); либо поперек оси (при этом на экране можно наблюдать поперечное сечение фокальной области); демонстрация дифракционных явлений, возникающих при прохождении электромагнитных волн через сферически-Слоистые среды. Устройство работает аналогично описанному, но источник света в этом случае должен когерентно освещать всю поверхность линзы. Для этого необходимо вместо лампы накаливания испо аьзовать лазер с соответствующей оптической системой, позволяющей расщирить и коллимировать лаверный пучок. Регистрация распределения интенсивности в диффракционных диаграммах производится фотометром; демонстрация изображений источника, наблюдаемых сквозь сферически-слоистую среду (фиг. 7). Наблюдаемый объект играет роль источника света. Он может наблюдаться через линзу либо визуально, либо его изображение фотографируется с помощью обычного фотоаппарата. Точность воспроизведения изображения столь высока, что предлагаемое устройство может быть использовано для анализа видимых сквозь сферичерки-слоист.ую среду изображения сложных объектов. Использование предлагаемого устройства в учебном процессе позволяет; обеспечить точное и устойчивое воспроизведение законов преломления в сферически-слоистых средах с любой радиальной зависимостью показателя преломления; наглядно представлять деформацию изображения объекта произвольной формы при наблюдении его сквозь сферически-слоистую среду с высокой точностью; значительно упростить демонстрации эффекта преломления, что позволяет использовать устройство не только в специально оборудованных лабораториях, но и в любых аудиториях. Эго удобно при организации научно-популярных лекций.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ .СФЕРИЧЕСКИ-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ, содержащее источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор. моделирующий действие среды, и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности воспроизведения закона преломления электромагнитных волн: и обеспечения устойчивости работы, рефрактор выполнен в виде линзы, изготовленной из оптически однородного материала, толщина которой от центра к периферии изменяетсяПО закону 2(p)--Sf S,гдё7(Р) -толщина линзы; (Р)-заданный угол отклонения лучей в сферически-слоистой среде; Р - прицельный параметр луча; Л/ - показатель преломления мате (D риала линзы. (Л с: О сд N оо со Фиг.1

Ре рракторлинза

Фиг.6

регистратор