一种用于演示爱因斯坦引力透镜探测暗物质的装置

本技术涉及教具，尤其涉及一种用于演示爱因斯坦引力透镜探测暗物质的装置。

背景技术：

1、暗物质研究在天体物理学、基础物理学、宇宙学等领域具有重要的科学价值。通过暗物质研究，我们可以揭示星系的形成和演化过程，探索新的基本粒子和物理现象，深化对宇宙起源和命运的理解。目前越来越多的现象确证了暗物质的存在，因此也有越来越多的人想要认识、理解并学习与暗物质有关的知识。

2、引力透镜效应是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种现象。由于时空在大质量天体附近会发生畸变，使得光子经过大质量天体附近时发生弯曲。根据引力透镜效应，我们可以推算出前方天体的质量分布。然而，观测结果显示，前方天体的实际质量要远大于其可见光度所反映的质量。这说明前方天体内部有一种不发光也不反射光的物质，对光子产生了强烈的弯曲作用。这种物质就是暗物质。

3、暗物质质量巨大，而暗物质如何改变光子的运动轨迹，也是很多青少年感兴趣的问题。但在实际情况中，能形成爱因斯坦引力透镜现象的条件极为严苛，原理也较为复杂，而且现有的教学教具都无法给学生以直观的展示和解释。由此导致学生们不能完全理解和掌握爱因斯坦引力透镜探测暗物质存在的基本原理和知识。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于演示爱因斯坦引力透镜探测暗物质的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本技术实施例采用下述技术方案：

3、一种用于演示爱因斯坦引力透镜探测暗物质的装置，包括演示台，所述演示台上设置有若干个磁性球，所述演示台的上表面固定连接有弹射组件，所述弹射组件内设置有运动球，所述弹射组件将运动球弹出，所述磁性球对运动球产生作用力以便使运动球运动方向发生改变，所述演示台的上表面固定连接有记录组件。

4、优选的，所述演示台的上表面固定连接有固定座，所述固定座的上表面设置有凹槽，所述磁性球设置在凹槽的内部。

5、优选的，所述弹射组件包括与演示台上表面固定连接的弹射座，所述弹射座的内部设置有弹道，所述运动球设置在弹道内，所述弹道的内壁滑动连接有滑块，所述滑块的一侧固定连接有第一弹簧，所述第一弹簧的另一端与弹道的内部固定连接。

6、优选的，所述第一弹簧的内部插接有拉杆，所述拉杆的一端与滑块的一侧固定连接，所述拉杆的另一端延伸至弹射座的外部并固定连接有拉块。

7、优选的，所述滑块的顶部固定连接有立杆，所述弹射座的上表面开设有用于立杆通行的避让口，所述立杆的顶端转动连接有转动板，所述转动板的底端形成有锁定条，所述立杆与转动板相靠近的一侧固定连接有同一个第二弹簧，所述弹射座的上表面设置连接有若干个呈直角三角状的定位条，所述锁定条与定位条配合对滑块锁定。

8、优选的，所述弹射座的上表面开设有滑槽，且滑槽的内壁滑动连接有滑动板，所述定位条固定连接在滑动板的上表面，所述滑槽的内底壁固定连接有第三弹簧，所述第三弹簧的顶端与滑动板的下表面固定连接，所述滑动板的上表面形成有按压凸起。

9、优选的，所述记录组件包括与演示台上表面固定连接的支撑杆，所述支撑杆的一端固定连接有安装板，所述安装板的正面转动连接有机座，所述机座的下表面转动连接有频闪相机，所述安装板的背面固定连接有第一电机，所述第一电机的输出端贯穿安装板的正面并与机座的背面固定连接，所述机座上固定连接有第二电机，所述第二电机的输出端贯穿机座的下表面并与频闪相机固定连接，所述支撑杆的表面固定连接有显示平板。

10、优选的，所述演示台的下表面固定连接有可调节的支撑腿，所述演示台上表面的四角处固定连接有水平仪，所述演示台远离弹射组件的一侧固定连接有收集槽，所述收集槽的内底壁向中部倾斜，所述收集槽的下表面固定连接有呈倾斜设置的导料管，所述演示台的另一侧固定连接有取球槽，所述导料管与取球槽相连通。

11、优选的，所述支撑腿包括底座，所述底座的内壁滑动连接有伸缩杆，所述伸缩杆的顶端与演示台的下表面固定连接，所述伸缩杆的底端呈倾斜面，所述底座的内壁滑动连接有滑动座，所述滑动座的顶端与倾斜面抵接，所述底座的表面开设有螺纹孔，且螺纹孔的内壁螺纹连接有旋钮螺栓，所述旋钮螺栓的一端与滑动座的表面转动连接。

12、优选的，若干个所述磁性球的其中一个为白色，其他所述磁性球为黑色，所述磁性球的直径范围为3cm-4cm，所述运动球的直径为0.5cm。

13、一种用于演示爱因斯坦引力透镜探测暗物质的装置的使用方法，包括以下步骤：

14、s1:模拟过程中图片采集与人工初筛

15、s2：图片获取：将上述经过人工筛选后的拍摄图片通过无线网络传送给显示平板。

16、s3：图片合成：显示平板接收图片后，利用内置的python程序对图片进行合成。

17、s4：整合数据：显示平板合成图片过程中，通过蓝色背景与运动球和磁性球颜色异同确认所有小球的轮廓，提取所有小球的坐标位置和半径信息，并将提取到的信息整理到一个文件中。

18、s5：数据拟合与对比：利用坐标信息文件中的运动球的坐标信息画出运动球的实验轨迹图，再与实际观测到的和根据理论计算预测的光子在经过暗物质时的运动轨迹进行对比，看是否吻合。

19、进一步的，s1具体为：首先通过演示台上的水平仪，将演示台及整个演示装置调整到水平位置，而后打开频闪相机，发射运动球开始演示，演示结束后，将频闪相机所拍摄的图片按照时间顺序排列好。

20、进一步的，s3具体为：首先利用python中的opencv库中的imread功能读取图片，再利用cv2.cvtcolor()功能转换颜色空间，将图片从rgb转换为hsv可以使处理过程更直观或更有效；然后利用cv2.inrange()和alpha_channel功能来创建蓝色掩膜并添加透明通道，标记图片中所有蓝色像素的运动球，之后通过cv2.imwrite功能将图片保存为png格式，最后再通过merge_images将所有处理过的png图片合并到一张图片上，如图9所示。

21、进一步的，s4具体为：首先通过使用轮廓检测功能cv2.findcontours找到小球的轮廓，再通过设置最小轮廓面积阈值、最大半径阈值、计算轮廓中心，进行坐标转换获取运动球的坐标信息，最后将坐标和半径信息写入保存的数据文件中并给出运动球的运动轨迹示意图。

22、进一步的，s5具体为：将整合数据中所提取的运动球的坐标和半径信息通过plt.scatter功能画成散点图。根据广义相对论，爱因斯坦场方程为：。是里奇张量，表示空间的曲率；是能动张量，gμν是度规张量，表示空间的几何结构；r是里奇标量；g是万有引力常数；c是光速。爱因斯坦场方程可以简化为，其中t是能量密度，r是空间曲率(负曲率意味着运动轨迹会向内偏转)。因此采用简化的爱因斯坦场方程，光子在沿着星系传播时会向星系中心偏转；对于暗物质存在的情况，暗物质一般围绕在星系中心呈晕状向外沿伸，此时计算光子在经过暗物质时的运动轨迹也会向星系中心弯曲，由于暗物质的加入会给出更大的能量密度，此时光子的偏转程度会更大。根据宇宙学标准模型(λcdm)对宇宙微波背景辐射(cmb)进行多级展开可以给出宇宙中暗物质与可见物质之间的比例约为5：1，因此为了模拟光子传播轨迹的弯曲程度，我们在演示过程中特采用5个黑色带磁性球模拟暗物质，1个白色磁性球模拟可见物质。

23、本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

24、其一，本发明中，通过设置弹射组件将运动球弹出使其在演示台上运动，通过将磁性球将入固定座内，磁性球对运动球产生作用力，使得运动球运动方向发生变化，用来演示光子在经过大质量的暗物质的周围时，速度发生偏转的现象，将晦涩难懂的天文知识清晰地展示给学生，很好地普及天文知识，便于普通大众理解。

25、其二，本发明中，通过拉动拉块带动拉杆移动，进而带动滑块移动并将第一弹簧压缩使其蓄力，通过滑块带动立杆移动，进而带动转动板移动，在第二弹簧与定位条的作用下，使得转动板能够顺利向右移动，当滑块移动至一定距离，即第一弹簧压缩至一定长度后，在定位条与锁定条的配合下使得滑块定位，方便使用者改变对运动球的作用力，通过向下按压按压凸起，使得滑动板压缩第三弹簧向下移动，进而使定位条向下移动，进而使锁定条与定位条脱离，第一弹簧复位并推动滑块移动撞击运动球产生作用力，使得运动球运动。