CN106097847B - 透明固体材料导热过程光学观测装置与实验演示方法 - Google Patents

Abstract

一种透明固体材料导热过程光学观测装置，在底座上左侧设上端设置有左水槽盖板的左水槽、右侧设上端设置有右水槽盖板的右水槽，左水槽与右水槽之间设置有透明的导热体，导热体的左端面为左水槽的右侧壁、右端面为右水槽的左侧壁，左水槽、右水槽、导热体的外侧壁上设置有保温层，设置在导热体激光入射面和激光出射面的保温层上加工有透光孔，导热体的后侧底座上放置有光屏，左水槽、导热体的前侧底座上放置有激光器支架，激光器支架上由左向右依次设置有半导体激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、反光镜，本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示效果明显等优点，适合于传热学教学的课堂演示实验。

Description

透明固体材料导热过程光学观测装置与实验演示方法

技术领域

本发明属于传热学实验仪器技术领域，具体涉及一种透明固体材料导热过程光学观测装置与实验演示方法。

背景技术

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，是提高传热学教学效果的有效手段。材料中热传导过程及其相关因素的研究，是传热学中的重要问题之一，实现热传导过程与传热方向的同步实时可视化动态显示，在传热学的教学中具有重要意义。目前面向学生的热传导实验，基本限于金属材料的导热演示，而对于热量在透明固体材料传导过程的实时观测，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现有技术的不足，提供一种示直观、演示效果好的透明固体材料导热过程光学观测装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用透明固体材料导热过程光学观测装置的实验演示方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上左侧设置上端盖有左水槽盖板的左水槽、右侧设置上端盖有右水槽盖板的右水槽，左水槽与右水槽之间设置有透明的导热体，导热体的左端面为左水槽的右侧壁、右端面为右水槽的左侧壁，左水槽、右水槽、导热体的外侧壁上设置有保温层，设置在导热体激光入射面和激光出射面的保温层上加工有透光孔，导热体的后侧底座上放置有光屏，左水槽、导热体的前侧底座上放置有激光器支架，激光器支架上由左向右依次设置有半导体激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、反光镜，半导体激光器的激光出射方向与导热体前侧面平行，第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、反光镜的镜面与激光出射方向成45°的夹角。

本发明的导热体的几何形状为四棱柱体，四棱柱体的长度为4～8cm。

本发明的的四棱柱体为长方体。

本发明的第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜的反射率为30％。

使用上述装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：

(1)、在右水槽中加满自来水，盖上右水槽盖板，接通半导体激光器的电源，调整半导体激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、反光镜的位置，使反射的四束激光透过导热体，投射在光屏上形成4个等距、在一条直线上的投射光点，标示4个激光投射光点的位置；

(2)、在左水槽中加入80～90℃的热水，使热水水面与右水槽中自来水水面的高度相同，盖上左水槽盖板，观察光屏上4个激光投射光点的移动情况，通过观察光屏上4个光点的移动情况，实现透明固体材料导热过程的实时可视化动态显示。

本发明将反映石英玻璃导热体4导热过程的石英玻璃导热体4中热传导方向上的温度梯度大小和变化规律，利用通过石英玻璃导热体4温差方向不同位置激光束的偏折方向来显现。激光束的偏折方向，又通过光屏5上光点的移动方向和移动次序，实现了石英玻璃导热体4导热过程的实时可视化动态显示。本发明具有结构简单、成本低、携带方便、演示效果明显等优点，适合于传热学教学的课堂演示实验。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1中光屏5上4个等距离激光投射光点的照片。

图3是本发明实施例1中靠近石英玻璃导热体4左端面激光束向右移动后的照片。

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、2中，本实施例的透明固体材料导热过程光学观测装置由底座1、左水槽2、左水槽盖板3、导热体4、光屏5、右水槽6、右水槽盖板7、保温层8、激光器支架9、反光镜10、第三分光镜11、第二分光镜12、第一分光镜13、半导体激光器14构成。

在底座1上左侧放置有左水槽2、右侧放置有右水槽6，在左水槽2与右水槽6之间通过导热体4联接，导热体4的左端面为左水槽2的右侧壁，导热体4的右端面为右水槽6的左侧壁，左水槽2与右水槽6的容积相等，左水槽2上端盖有左水槽盖板3，右水槽6上端盖有右水槽盖板7，左水槽2、右水槽6内装有不同温度的水，左水槽2、右水槽6的侧壁的外表面上包裹有保温层8，保温层8用于对左水槽2、右水槽6内装的水进行保温。本实施例的导热体4为石英玻璃材料制成，导热体4的几何形状为长方体，导热体4的长度为4～8cm，导热体4的外表面上包裹有保温层8，包裹在导热体4前侧面和后侧面的保温层8上加工有透光孔，光可从透光孔穿过。在导热体4的后侧底座1上放置有光屏5，光屏5用于成像。在左水槽2、导热体4的前侧底座1上放置有激光器支架9，激光器支架9上由左向右用螺纹紧固联接件依次固定联接安装有半导体激光器14、第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11、反光镜10，半导体激光器14用于产生激光，半导体激光器14的激光出射方向与导热体4的前侧面平行，第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11、反光镜10的镜面与激光出射方向成45°的夹角，第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11的反射率为30％，半导体激光器14出射的激光束依次通过第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11后到达反光镜10，第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11和反光镜10反射的激光束，平行、等距、垂直通过导热体4上前后侧壁保温层8上的透光孔，透过导热体4，投射在光屏5上，在光屏5上形成4个等距离、在一条直线上的光点。由左向右第一分光镜13反射的激光束靠近导热体4的左端面，透过导热体4投射在光屏5上；反光镜10反射的激光束靠近导热体4的右端面，透过导热体4投射在光屏5上。

使用透明固体材料导热过程光学观测装置的实验方法步骤如下：

1、在右水槽6中加满自来水，盖上右水槽盖板7，接通半导体激光器14的电源，调整半导体激光器14、第一分光镜13、第二分光镜12、第三分光镜11、反光镜10的位置，使反射的四束激光透过导热体4，投射在光屏5上形成如图2所示的4个等距、在一条直线上的投射光点，标示4个激光投射光点的位置。

2、在左水槽2中加入温度80～90℃的热水，使热水水面与右水槽6中自来水水面的高度相同，盖上左水槽盖板3，同步观察光屏5上4个激光投射光点的移动情况。

当光屏5上的投射光点位置出现如图3所示的变化，即靠近石英玻璃导热体4左端面的第一分光镜13反射的激光束在光屏5上投射光点首先向右水平移动时，说明左水槽2中热水的热量已通过导热体4向右传导，随着时间的延长，光屏5上由左向右的其它投射光点依次向右移动，说明热传递在导热体4中进行，当光屏5上最右边的投射光点向右移动时，说明左水槽2中热水的热量通过导热体4已传导到右水槽6的自来水中。即通过观察光屏5上4个光点的移动情况，实现了透明固体材料导热过程的实时可视化动态显示。

实施例2

在本实施例中，在左水槽2与右水槽6之间用光学胶粘接有导热体4，导热体4的左端面为左水槽2的右侧壁，导热体4的右端面为右水槽6的左侧壁，本实施例的导热体4为石英玻璃材料制成，导热体4的几何形状为长方体，导热体4的长度为4cm。其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，在左水槽2与右水槽6之间用光学胶粘接有导热体4，导热体4的左端面为左水槽2的右侧壁，导热体4的右端面为右水槽6的左侧壁，本实施例的导热体4为石英玻璃材料制成，导热体4的几何形状为长方体，导热体4的长度为8cm。其它零部件以及零部件的连接关系与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

本发明通过在导热体4两端的左水槽2和右水槽6中加入不同温度的水，在石英玻璃导热体4中两端形成温差，以此观测导热体4的导热过程。本发明装置中导热体4的导热过程与快慢，由导热体4中导热方向上不同位置的温度梯度的大小所决定。导热体4中不同位置出现温度梯度，说明左水槽2中热水热量在导热体4中已传导到该处。由材料的热光效应可知，在一定的温度范围内，温高则折射率小，温度低则折射率大。因此，在石英玻璃导热体4中的梯度温度场，就形成了相应的梯度折射率场。

众所周知，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。由于温度梯度是热传递的驱动力，因此在导热体4的导热过程中，导热体4中必然存在梯度温度场。当激光束通过导热体4中的梯度温度场时，就会向温度较低的区域(右水槽6侧)方向偏折。随着导热体4中热传导的进行，导热体4中传导方向上从左向右不同位置通过的激光束，将依次出现向温度较低一侧(右水槽6方向)的偏折，相应的三个分光镜和反射镜反射的激光束在光屏5上的投射光点均向右移动。即通过光屏5上投射光点的移动方向和移动的先后次序，实现了石英玻璃导热体4的导热过程的实时可视化动态显示。

Claims (5)

1.一种透明固体材料导热过程光学观测装置，其特征在于：在底座(1)上左侧设置上端盖有左水槽盖板(3)的左水槽(2)、右侧设置上端盖有右水槽盖板(7)的右水槽(6)，左水槽(2)与右水槽(6)之间设置有透明的导热体(4)，导热体(4)的左端面为左水槽(2)的右侧壁、右端面为右水槽(6)的左侧壁，左水槽(2)、右水槽(6)、导热体(4)的外侧壁上设置有保温层(8)，设置在导热体(4)激光入射面和激光出射面的保温层(8)上加工有透光孔，导热体(4)的后侧底座(1)上放置有光屏(5)，左水槽(2)、导热体(4)的前侧底座(1)上放置有激光器支架(9)，激光器支架(9)上由左向右依次设置有半导体激光器(14)、第一分光镜(13)、第二分光镜(12)、第三分光镜(11)、反光镜(10)，半导体激光器(14)的激光出射方向与导热体(4)前侧面平行，第一分光镜(13)、第二分光镜(12)、第三分光镜(11)、反光镜(10)的镜面与激光出射方向成45°的夹角。

2.根据权利要求1所述的透明固体材料导热过程光学观测装置，其特征在于：所述的导热体(4)的几何形状为四棱柱体，四棱柱体的长度为4～8cm。

3.根据权利要求2所述的透明固体材料导热过程光学观测装置，其特征在于：所述的四棱柱体为长方体。

4.根据权利要求2所述的透明固体材料导热过程光学观测装置，其特征在于：所述的第一分光镜(13)、第二分光镜(12)、第三分光镜(11)的反射率为30％。

5.一种使用权利要求1透明固体材料导热过程光学观测装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：

(1)、在右水槽(6)中加满自来水，盖上右水槽盖板(7)，接通半导体激光器(14)的电源，调整半导体激光器(14)、第一分光镜(13)、第二分光镜(12)、第三分光镜(11)、反光镜(10)的位置，使反射的四束激光透过导热体(4)，投射在光屏(5)上形成4个等距、在一条直线上的投射光点，标示4个激光投射光点的位置；

(2)、在左水槽(2)中加入80～90℃的热水，使热水水面与右水槽(6)中自来水水面的高度相同，盖上左水槽盖板(3)，观察光屏(5)上4个激光投射光点的移动情况，通过观察光屏(5)上4个光点的移动情况，实现透明固体材料导热过程的实时可视化动态显示。