CN106057038B - 热传递过程与方向同步实时光学演示装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种热传递过程与方向同步实时光学演示装置，在底座上设置有透明水槽，水槽上端设置有水槽盖板，水槽的侧壁和水槽盖板上表面上设置有保温层，水槽长度方向中间位置的前后侧壁上设置有导热板，导热板将水槽分成两个容积相等的左水槽和右水槽，水槽的后侧壁外底座上设放置有光屏，在水槽的前侧壁外底座上设置有激光器支架，激光器支架上设置有半导体激光器，半导体激光器输出的激光束从左水槽中透过水槽的前侧壁、后侧壁紧贴导热板侧面通过投射在光屏上，激光束平行于导热板和水平面，激光束中轴线与导热板的距离等于激光束在该处截面的半径长度；本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示现象明显等优点，可作为传热学教学演示实验仪器。
Description
技术领域
本发明属于传热学实验仪器领域，具体涉及到传热过程中光学演示装置。
背景技术
热传递是最普遍的自然现象之一。传热学是研究温差引起的热量传递规律的科学，由于自然界和生产技术中到处存在着促使热量传递的温差，所以“传热学”的理论在自然界及各个领域都有着非常广泛的应用。因此，它已成为许多工科专业的主干基础课程。能否学好这门课程势必影响学生对后续课程的学习，影响学生在未来工作中运用“传热学”知识解决工程问题的能力。演示实验对于帮助学生观察热传导现象，增加感性知识，提高学习兴趣具有重要意义。大学传热学课程的主要内容都应有演示实验，将演示实验引入课堂教学，不仅是提高教学质量的需要，更是教育部对大学传热学教学的基本要求。演示实验根据开展的地点可以分为课堂演示实验、展厅演示实验、走廊演示实验、户外演示实验等。其中课堂演示实验的特点是演示仪器携带方便、演示现象明显、操作简单、受益面广等。它不仅使传统的理论教学更加形象生动，而且更容易激发学生的学习兴趣，在课堂互动中培养了学生观察、分析和思维能力，是提高教学效果的有效手段。传热过程与传热方向的观测，是传热学的基本问题之一，介质中热传递的快慢与方向，取决于介质中温度梯度的大小与方向。实现传热过程与传热方向的同步实时可视化，在传热学的教学中具有重要意义，但目前还没有见到这类教学实验演示仪器。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于针对传热学实验演示的需要，提供一种演示直观、演示效果好的热传递过程与方向同步实时光学演示装置。
本发明的另一个目的所要解决的一个技术问题在于提供一种使用热传递过程与方向同步实时光学演示装置的演示方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有透明水槽，水槽上端设置有水槽盖板，水槽的侧壁和水槽盖板上表面上设置有保温层，水槽长度方向中间位置的前后侧壁上设置有导热板，导热板将水槽分成两个容积相等的左水槽和右水槽，水槽的后侧壁外底座上设放置有光屏，在水槽的前侧壁外底座上设置有激光器支架，激光器支架上设置有半导体激光器，半导体激光器输出的激光束从左水槽中透过水槽的前侧壁、后侧壁紧贴导热板侧面通过投射在光屏上，激光束平行于导热板和水平面，激光束中轴线与导热板的距离等于激光束在该处截面的半径长度。
本发明的导热板的厚度为3～6mm。
本发明的导热板为不同导热系数材料制成的平板，该不同导热系数材料的平板为铝板或玻璃板或有机玻璃板。
本发明的水槽为长方形水槽，导热板与水槽的前侧壁和后侧壁垂直。
使用本发明装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：
(1)、在左水槽中加入自来水，接通半导体激光器的电源，调整激光器位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴导热板，投射在光屏上，在光屏上标示光点位置；
(2)、在右水槽中加入温度80～90℃的热水，使热水水面与左水槽中自来水水面的高度相同，盖上水槽盖板，观察光屏上圆形光点的形状变化与移动情况；通过观察光屏上由起始位置的光点到长度最大的一字形光斑的形成，再到一字形光斑的逐渐缩短到起始位置光点的全过程，实现左水槽、右水槽中不同温度的水通过导热板热传递过程与方向的实时可视化。
本发明通过导热板两侧设置不同温度的水，在导热板两侧建立温差，将反映导热板导热过程与导热方向的导热板与自来水界面附近水中温度梯度的大小、方向及变化过程，用通过导热板与自来水界面附近水中的激光束偏折角的大小、偏折方向及变化规律来显现。激光束偏折角的大小、偏折方向及变化规律又通过光屏上激光投射光点的形状变化、扩展方向，即从原始光点—→形成最大长度的一字形光斑—→逐渐缩短的一字形光斑—→缩小为起始位置光点的全过程，实现了导热板的导热过程、导热方向以及左水槽、右水槽水温热平衡过程的实时可视化。
本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示现象明显等优点，可作为传热学教学演示实验仪器。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是实施例1中圆形光点向左凸起的照片。
图3是实施例1中最大长度的一字形光斑照片。
图4是实施例1中一字形光斑缩短后的照片。
图5是实施例1中一字形光斑缩为起始位置光点的照片。
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，但本发明不限于下述的实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的热传递过程与方向同步实时光学演示装置由底座1、水槽2、光屏3、水槽盖板4、保温层5、导热板6、激光器支架7、半导体激光器8、联接构成。
在底座1上放置有水槽2，水槽2为透明的长方体水槽，水槽2上端盖有水槽盖板4，水槽2的侧壁和水槽盖板4的上表面上包裹有保温层5，保温层5用于保温。水槽2长度方向中间位置的前后侧壁上用密封胶粘结有导热板6，导热板6为厚度均匀、不同导热系数材料制成的平板，本实施例采用铝板，也可以采用石英玻璃板，还可以采用有机玻璃板，导热板6的厚度为3～6mm，导热板6与水槽2的前侧壁和后侧壁垂直，导热板6将水槽2分成两个容积相等的左水槽2-1和右水槽2-2。水槽2的后侧壁外底座1上放置有光屏3，光屏3用于成像。在水槽2的前侧壁外底座1上放置有激光器支架7，激光器支架7上用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器8。半导体激光器8输出的激光束从左水槽2-1中透过水槽2的前侧壁、后侧壁以及保温层5上的通光孔，并紧贴导热板6的左侧面投射在光屏3上，激光束平行于导热板6和水平面，激光束中轴线与导热板6的距离等于激光束在该处截面的半径长度。
使用传热过程与方向同步光学演示装置的实验方法步骤如下：
(1)、在左水槽2-1中加入自来水。接通半导体激光器8的电源，调整激光器位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴导热板6，投射在光屏3上，在光屏3上标示投射光点的位置。
(2)、在右水槽2-2中加入温度80～90℃的热水，使热水水面与左水槽2-1中自来水水面的高度相同，盖上水槽盖板4，同步观察光屏3上圆形光点的形状变化与移动情况。当圆形光点首先出现如图2所示的圆形光点的边缘向左出现凸起时，显示出热水的热量已通过导热板6传递到导热板6与自来水的界面处，随即看到圆形光点迅速向左扩展，形成图3所示的水平方向最大长度的一字形光斑，说明这时热水热量通过导热板6传递到自来水中的导热速度达到最大值；随着导热时间的延长，一字形光斑的长度又呈现出如图4所示的逐渐缩短现象。显示出随着左水槽2-1、右水槽2-2内水温差的减小，导热板6的导热速度逐渐减小；随着时间的进一步延长，当一字形光斑最后又缩为图5所示的位于起始位置的光点，说明此时通过导热板6的导热，左水槽2-1、右水槽2-2中的水温达到了热平衡。通过观察光屏3上图2～图5所示的光点形状的变化过程，即由起始位置的光点到长度最大的一字形光斑的形成，再到一字形光斑的逐渐缩短到起始位置光点的全过程，实现了左水槽2-1、右水槽2-2中不同温度的水通过导热板6热传递过程与方向的实时可视化。
本发明的工作原理如下：
本发明通过在导热板6两侧的左水槽2-1、右水槽2-2中加入不同温度的水，在导热板6两侧形成温差，观测导热板6的导热过程与导热方向。本装置中导热板6的面积固定，右水槽2-2中热水热量通过导热板6传导到左水槽2-1中自来水中的快慢，由导热板6与自来水界面附近的温度梯度大小决定。导热板6与自来水界面附近出现温度梯度，说明右水槽2-2中热水热量已通过导热板6传导到左水槽2-1的自来水中。导热板6两侧的温差越大，导热板6与自来水界面附近的温度梯度就越大，单位时间传导的热量就越多，即传热速度就越快。
导热板6与自来水界面附近水中的梯度温度场，形成了相应的梯度折射率场，温度高处折射率小，温度低处折射率大。由于光线在梯度折射率场中传输时向折射率大的区域偏折，折射率梯度越大，光线的偏折角度越大，即光线的弯曲度越大。因此，在激光束通过导热板6与自来水界面附近水中的梯度温度场时，就会向水温较低的区域(左水槽2-1侧)偏折。在较短的传输距离内，由于可以认为激光束由许多平行光线集合而成，在同一激光束中不同光线通过导热板6与自来水界面附近的温度梯度不同，越靠近导热板6，水中的温度梯度越大。因此激光束中靠近导热板6处的光线向左水槽2-1方向的偏折角最大，同一激光束中离导热板6距离最大的光线的偏折角最小，即同一激光束中不同光线的偏折角大小不同。因此，在右水槽2-2中加入热水后，热水热量通过导热板6传导到左水槽2-1中自来水时，原先光屏3上的光点就向左水槽2-1方向扩展为一字形光斑。光屏3上的光点的扩展方向即为热传递的方向。随着热传导过程进行，左水槽2-1与右水槽2-2之间的温差逐渐变小，相应的导热板6与自来水界面附近的温度梯度也逐渐减小，即折射率梯度也随之减小，激光束中不同光线的偏折角度也就减小，一字形光斑缩短。因此，一字形光斑的长度，正好对应导热板6导热速度的快慢。当左水槽2-1与右水槽2-2达到热平衡时，导热板6与自来水界面附近的温度梯度消失，一字形光斑缩回到起始位置的光点。基于上述原理，通过观察光屏3上光点形状的变化，实现了导热板6传热过程与方向的实时可视化动态显示。
Claims (5)
1.一种热传递过程与方向同步实时光学演示装置，其特征在于：在底座（1）上设置有透明水槽（2），水槽（2）上端设置有水槽盖板（4），水槽（2）的侧壁和水槽盖板（4）上表面上设置有保温层（5），水槽（2）长度方向中间位置的前后侧壁上设置有导热板（6），导热板（6）将水槽（2）分成两个容积相等的左水槽（2-1）和右水槽（2-2），水槽（2）的后侧壁外底座（1）上设放置有光屏（3），在水槽（2）的前侧壁外底座（1）上设置有激光器支架（7），激光器支架（7）上设置有半导体激光器（8），半导体激光器（8）输出的激光束从左水槽（2-1）中透过水槽（2）的前侧壁、后侧壁紧贴导热板（6）侧面通过投射在光屏（3）上，激光束平行于导热板（6）和水平面，激光束中轴线与导热板（6）的距离等于激光束截面的半径长度。
2.根据权利要求1所述的热传递过程与方向同步实时光学演示装置，其特征在于：所述的导热板（6）的厚度为3～6mm。
3.根据权利要求1所述的热传递过程与方向同步实时光学演示装置，其特征在于：所述的导热板（6）为铝板或玻璃板或有机玻璃板。
4.根据权利要求1所述的热传递过程与方向同步实时光学演示装置，其特征在于：所述的水槽（2）为长方形水槽（2），导热板（6）与水槽（2）的前侧壁和后侧壁垂直。
5.一种使用权利要求1热传递过程与方向同步实时光学演示装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：
（1）、在左水槽（2-1）中加入自来水，接通半导体激光器（8）的电源，调整激光器位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴导热板（6），投射在光屏（3）上，在光屏（3）上标示光点位置；
（2）、在右水槽（2-2）中加入温度80～90℃的热水，使热水水面与左水槽（2-1）中自来水水面的高度相同，盖上水槽盖板（4），观察光屏（3）上圆形光点的形状变化与移动情况；通过观察光屏（3）上由起始位置的光点到长度最大的一字形光斑的形成，再到一字形光斑的逐渐缩短到起始位置光点的全过程，实现左水槽（2-1）、右水槽（2-2）中不同温度的水通过导热板（6）热传递过程与方向的实时可视化。
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