CN104916192A - 冰在水中消融过程光学观测实验装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

一种冰在水中消融过程光学观测实验装置，在底座上设水槽支架，水槽支架上放置有水槽，水槽内装有水，水槽的底部外表面设超声换能器，水槽右侧底座上设置有光屏，水槽左侧底座上放置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射光的发散角为10°～20°的发散激光束从水槽左侧壁中部透过，通过水槽内冰水混合体，投射到光屏上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。实验方法由观察冰在室温状态水中自然消融过程、观察超声强化冰块消融过程、比较上述圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异步骤组成。本发明结构简单、方法简便直观，实现了冰消融过程的动态显示，可作为热力学、工程物理等的研究与教学实验仪器。

Description

冰在水中消融过程光学观测实验装置与实验方法

技术领域

本发明属于教学演示仪器技术领域，具体涉及冰在水中消融过程的实验仪器。

背景技术

冰在水中的消融过程是一个热交换过程，期间要吸收大量热量，热量的主要来源是水中的热，因此冰的消融使水的温度降低。但冰在水中的消融过程既不同于冷水与热水混合后的热交换过程，也不同于有固定形状的低温物体浸入水中的吸热过程，尽管最终的结果都是达到热平衡，但从热力学角度出发，观察冰消融时冰水界面的热交换过程，研究冰在水中的消融方式，有益于学生科学思维能力的培养和物理思想的建立。另外，利用超声技术加快冰在水中的消融过程，是近年来的制冷与低温工程领域的研究热点，并已取得实效。然而由于冰与水都属于无色透明体，裸眼观察冰在水中的自然消融过程或者在超声作用下的快速消融过程，几乎没有可能。因此，研究一种观察冰在水中消融过程的可视化实验装置与冰在水中消融过程的光学观察方法，对热力学、制冷与低温工程的研究，加深学生对冰在水中消融过程物理本质的理解，具有重要的科学与技术意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的冰在水中消融过程光学观测实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有水槽支架，水槽支架上放置有水槽，水槽内装有水，水槽的底部外表面设置有超声换能器，水槽右侧底座上设置有光屏，水槽左侧底座上放置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射光的发散角为10°～20°的发散激光束从水槽左侧壁中部透过，通过水槽内冰水混合体，投射到光屏上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

本发明的水槽的几何形状为长方体，水槽的侧壁采用透明有机玻璃制成，水槽的底部为金属板设置在水槽的侧壁下端。

本发明的半导体激光器出射光的发散角最佳为15°的发散激光束从水槽左侧壁中部透过，通过水槽内冰水混合体，投射到光屏上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

使用上述冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法由以下步骤组成：

1)观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽内加入水槽容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角为10°～20°的激光束透过水槽内的冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间；

2)观察超声强化冰块消融过程

按照步骤1)，在水槽内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器电源并开始计时，用发散角为10°～20°的发散激光束穿过水槽中冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

3)比较步骤1)、2)中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

在本发明的观察冰在室温状态水中自然消融过程步骤1)中，在水槽内加入水槽容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角最佳为15°的激光束透过水槽内的冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间。

在本发明的观察超声强化冰块消融过程步骤2)中，按照步骤1)，在水槽内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器电源并开始计时，用发散角最佳为15°的发散激光束穿过水槽中冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

本发明采用冰块在水槽内自然消融和超声强化消融过程中冰水界面上梯度变化的折射率，对透过的发散激光束折射、会聚或发散作用，使得投射在光屏上的圆形光斑均匀性出现动态变化，实时呈现水体中温度的非均匀分布及动态变化过程，实现了水槽内冰块消融过程的动态实时观察和消融时间测量。同时发散的激光束，透过水槽内的冰水体系，投射在光屏上形成更大的圆形光斑，圆形光斑放大了激光束透过区域冰水界面和冰消融产生的冷水向下迁移的动态图景，使冰消融过程的观测更清晰。本发明结构简单、方法简便直观，实现了冰消融过程的动态显示，可作为热力学、工程物理等的研究与教学实验仪器。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视图。

图2是水中冰块消融过程中圆形光斑照片。

图3是冰完全消融后的圆形光斑照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的冰在水中消融过程光学观测实验装置由半导体激光器1、水槽2、光屏3、底座4、水槽支架5、超声换能器6、激光器支架7联接构成。

在底座4上用螺纹紧固联接件固定联接有水槽支架5，水槽支架5上放置有水槽2，水槽2的几何形状为长方体，水槽2的侧壁采用有机玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，水槽2的底部为金属板，用胶与水槽2的侧壁下端固定联接，水槽2内装有水，在做冰在水中消融实验时，将冰块放置在水槽2内。在水槽2的底部外表面用螺纹紧固联接件固定联接安装有超声换能器6，超声换能器6用于产生超声波，超声换能器6产生的超声波透过水槽2的底板进入水中。在水槽2右侧底座4上安装有光屏3，光屏3用于呈现冰在水中消融过程的光学图像。在水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1出射光的发散角为15°，发散激光束从水槽2左侧壁的中部透过，通过水槽2内冰水混合体，投射在光屏3上，在光屏3上呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

使用上述冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法步骤如下：

1、观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽2内加入水槽2容积80％、25℃的自来水，在水中放入一块200g无色透明冰块并开始计时，同时用发散角为15°的激光束透过水槽2内的冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间。冰块消融过程中的圆形光斑如图2所示，冰块完全消融时圆形光斑如图3所示。比较图2、图3可见，冰块在消融过程中和消融完成时圆形光斑的均匀性有显著变化。由图2可见，圆形光斑中出现网状亮线，说明冰块消融过程中水槽2内水温分布不均匀，由图3说明，发散激光束中所有光线透过水体时都直线传输，冰块完全消融，水槽2内水温达到均匀。通过观察图2到图3的变化过程，实现了冰消融过程的光学观测。

2、观察超声强化冰块消融过程

按照步骤2，在水槽2内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器6电源并开始计时，用发散角为15°的发散激光束穿过水槽2中冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

3、比较步骤1、2中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

实施例2

在水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1出射光的发散角为10°，发散激光束从水槽2左侧壁的中部透过，通过水槽2内冰水混合体，投射在光屏3上，在光屏3上呈现出冰在水中消融过程的动态图像。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法步骤如下：

1、观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽2内加入水槽2容积80％、25℃的自来水，在水中放入一块200g无色透明冰块并开始计时，同时用发散角为10°的激光束透过水槽2内的冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间。

2、观察超声强化冰块消融过程

按照步骤2，在水槽2内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器6电源并开始计时，用发散角为10°的发散激光束穿过水槽2中冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

3、比较步骤1、2中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

实施例3

在水槽2左侧底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安装有半导体激光器1，半导体激光器1可在半导体激光器1支架上转动，半导体激光器1用于产生激光，半导体激光器1出射光的发散角为20°，发散激光束从水槽2左侧壁的中部透过，通过水槽2内冰水混合体，投射在光屏3上，在光屏3上呈现出冰在水中消融过程的动态图像。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

使用本实施例冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法步骤如下：

1、观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽2内加入水槽2容积80％、25℃的自来水，在水中放入一块200g无色透明冰块并开始计时，同时用发散角为20°的激光束透过水槽2内的冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间。

2、观察超声强化冰块消融过程

按照步骤1，在水槽2内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器6电源并开始计时，用发散角为20°的发散激光束穿过水槽2中冰水混合体投射在光屏3上，在光屏3上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

3、比较步骤1、2中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

本发明的工作原理如下：

本发明基于光线在均匀介质中直线传输，而在非均匀介质中向折射率大的区域偏折传输的原理，以及冰的折射率小于水的折射率和冰消融时的吸热效应，实现冰消融过程的光学实时观察。不同温度的水，具有不同的密度，不同密度的水具有不同的折射率，发散激光束透过温度分布不均匀水体的过程中向温度较低区域偏折，使得水温较低区域在圆形光斑中对应区域的亮度增强，水温较高区域在圆形光斑中对应区域的亮度减弱。实验中冰块在光屏3上对应的投影区域光强显著减弱(如图2圆形光斑中的上部区域)，是由于冰的折射率小于水的折射率，光线穿过冰块的过程中，偏折向折射率较大的水中；由于冰水界面上的冰在自然消融或超声强化消融过程中吸热，使界面上水的温度降低，发散激光束通过冰块和冰块下方水的过程中向冰水界面上温度较低的水中偏折，在光屏3上的圆形光斑中呈现出冰块投影区域光强明显减弱、冰水界面对应的投影区域亮度增强；同时，冰水界面上水温降低、密度增大，离开冰水界面向水槽2的下部迁移，在向下迁移的过程中，又与周围温度较高的水之间进行热交换，在此过程中，冰的消融水与周围温度较高的水之间过渡区域温度呈现梯度分布，梯度温度区域的折射率同样呈现梯度分布，这时穿过的光线向冷水方向偏折，在圆形光斑中看到不规则向下运动的亮带。当冰完全消融后，圆形光斑中向下迁移的不规则亮带消失。通过上述过程和所观察到的现象可知，冰在水中的消融方式，是一层一层的剥落，并不是以连续的方式消融。在冰自然消融的情况下，随着冰的消融，水槽2中水的温度逐渐降低，圆形光斑中冰水界面上冰的消融水离开冰水界面，向下迁移的不规则亮带出现时间间隔延长，当水温达到0°时，冰水达到热平衡，这时在水中观察不到向下迁移的不规则亮带。基于上述原理和方法，本发明实现了冰在水中自然消融和超声强化消融过程的光学观测。

Claims (5)

1.一种冰在水中消融过程光学观测实验装置，其特征在于：在底座(4)上设置有水槽支架(5)，水槽支架(5)上放置有水槽(2)，水槽(2)内装有水，水槽(2)的底部外表面设置有超声换能器(6)，水槽(2)右侧底座(4)上设置有光屏(3)，水槽(2)左侧底座(4)上放置安装有半导体激光器(1)的激光器支架(7)，半导体激光器(1)出射光的发散角为10°～20°的发散激光束从水槽(2)左侧壁中部透过，通过水槽(2)内冰水混合体，投射到光屏(3)上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

2.根据权利要求1所述的冰在水中消融过程光学观测实验装置，其特征在于：所述的水槽(2)的几何形状为长方体，水槽(2)的侧壁采用透明有机玻璃制成，水槽(2)的底部为金属板设置在水槽(2)的侧壁下端。

3.根据权利要求1所述的冰在水中消融过程光学观测实验装置，其特征在于：所述的半导体激光器(1)出射光的发散角为15°的发散激光束从水槽(2)左侧壁中部透过，通过水槽(2)内冰水混合体，投射到光屏(3)上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

4.一种使用权利要求1所述的冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法，其特征在于由下述步骤组成：

1)观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽(2)内加入水槽(2)容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角为10°～20°的激光束透过水槽2内的冰水混合体投射在光屏(3)上，在光屏(3)上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间；

2)观察超声强化冰块消融过程

按照步骤1)，在水槽(2)内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器(6)电源并开始计时，用发散角为10°～20°的发散激光束穿过水槽(2)中冰水混合体投射在光屏(3)上，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间；

3)比较步骤1)、2)中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

5.根据权利要求4所述的使用权利要求1的冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法，其特征在于在观察冰在室温状态水中自然消融过程步骤1)中，在水槽(2)内加入水槽(2)容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角为15°的激光束透过水槽(2)内的冰水混合体投射在光屏(3)上，在光屏(3)上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间；

在观察超声强化冰块消融过程步骤2)中，按照步骤1)，在水槽(2)内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器(6)电源并开始计时，用发散角为15°的发散激光束穿过水槽(2)中冰水混合体投射在光屏(3)上，在光屏(3)上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。