CN109118907A - 一种莱顿弗罗斯特现象演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,包括演示平台、位于演示平台上方的演示板、滴水管、水泵、水箱,演示平台的台面固设有隔热托盘,隔热托盘与演示板之间固设有加热板,演示板的上表面为具有坡度的锯齿面,滴水管的出水口设置在锯齿面下端的正上方。该莱顿弗罗斯特现象演示装置操作简单,能够完美、直观的演示莱顿弗罗斯特效应,演示效果多样化,观察效果好,有助于启发、引导观众对现象背后的科学原理、科学技术的探索,从而达到推广科普知识的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,属于科学现象演示装置。
背景技术
莱顿弗罗斯特现象(Leidenfrost Phenomenon)指液体不会润湿炙热的表面,而仅仅在其上形成一个蒸汽层的现象。这个效应在我们日常生活并不少见。比如水在刚热的锅里,很容易挥发,而在爆炒的锅里滴了几滴水,水却能在锅里保存得更久,而且会在锅里乱动。目前莱顿弗罗斯特效应演示以炙热金属板表面滴水滴观察现象为多,演示方式略显枯燥单一。
在对莱顿弗罗斯特效应的研究中,得出可以利用金属锯齿状斜坡加热后,滴入水滴,水滴接触到锯齿面后,迅速形成小水珠沿着斜坡由低处往高处跑的现象。其原理是:水滴滴在炙热的金属板表面时,水滴底部立即形成一层水蒸汽,就使得水滴悬浮起来,把水珠与金属板表面隔开,金属板向液体进行的热传导需要通过蒸气层完成,由于水蒸气的传热比液体水慢得多,悬浮起来的水滴暂时不能吸收更多的热量,减慢了汽化速度,因此悬浮可以持续一定的时间,也就是水滴会产生莱顿弗罗斯特现象;水滴产生莱顿弗罗斯特现象时,水滴会在铁板四处滚动,并缓慢地逐渐蒸发,也就是说,水滴在铁板表面滚动的方向是随机、无序的,这导致目前用来演示莱顿弗罗斯特效应的装置用铁板通常为长板状,水滴在铁板表面四处滚动,稳定性较差,这使得观察效果过于单一,观察体验差,不利于用于科普推广或科普教学。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足,提供了一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,具体技术方案如下:
一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,包括演示平台、位于演示平台上方的演示板、滴水管、水泵、水箱,所述演示平台的台面固设有隔热托盘,所述隔热托盘设置在演示板的下方,所述隔热托盘与演示板之间固设有加热板,所述水泵的输入端与水箱的内腔连通,所述水泵的输出端与滴水管的进水口连通;所述演示板的上表面为具有坡度的锯齿面,所述滴水管的出水口设置在锯齿面下端的正上方;所述锯齿面由若干个锯齿组成,所述锯齿包括竖齿面和斜齿面,所述竖齿面和斜齿面之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。
作为上述技术方案的改进,所述锯齿面的温度大于或等于193℃。
作为上述技术方案的改进,所述锯齿面在水平面的投影为长板状。
作为上述技术方案的改进,所述锯齿面在水平面的投影为U形。
作为上述技术方案的改进,所述β/α=39.7。
作为上述技术方案的改进,所述锯齿面为螺旋状。
作为上述技术方案的改进,所述β/α=18.5。
作为上述技术方案的改进,所述演示板的外部套设有透明防护罩,所述隔热托盘和滴水管均设置在透明防护罩的内部。
作为上述技术方案的改进,所述隔热托盘的底部安装有回水槽,所述回水槽的槽底与水箱之间设置有回水管,所述回水管的下端通到水箱的内部,所述回水管的上端与回水槽的内腔连通。
本发明的有益效果:
所述莱顿弗罗斯特现象演示装置操作简单,能够完美、直观的演示莱顿弗罗斯特效应,演示效果多样化,观察效果好,有助于启发、引导观众对现象背后的科学原理、科学技术的探索,从而达到推广科普知识的目的。
附图说明
图1为本发明实施例1所述莱顿弗罗斯特现象演示装置的结构示意图;
图2为本发明实施例1所述莱顿弗罗斯特现象演示装置的结构示意图(侧视状态);
图3为本发明实施例1所述莱顿弗罗斯特现象演示装置的结构示意图(俯视状态);
图4为本发明实施例1所述演示板断面的结构示意图;
图5为本发明实施例2所述演示板的结构示意图(俯视状态);
图6为本发明实施例3所述演示板的结构示意图(俯视状态)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示,所述莱顿弗罗斯特现象演示装置,包括演示平台1、位于演示平台1上方的演示板5、滴水管7、水泵8、水箱9,所述演示平台1的台面固设有隔热托盘2,所述隔热托盘2设置在演示板5的下方,所述隔热托盘2与演示板5之间固设有加热板4,所述水泵8的输入端与水箱9的内腔连通,所述水泵8的输出端与滴水管7的进水口连通;所述演示板5的上表面为具有坡度的锯齿面,所述滴水管7的出水口设置在锯齿面下端的正上方。其中,所述锯齿面由若干个锯齿51组成,所述锯齿51包括竖齿面511和斜齿面512,所述竖齿面511和斜齿面512之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。
所述加热板4能够对演示板5进行加热,演示板5为金属材料制成。为便于散热,在所述隔热托盘2的前后侧可安装散热风扇13,从而对演示平台1的内部以及隔热托盘2附近起到散热作用。所述隔热托盘2与演示平台1之间可填塞硅酸铝保温棉,起到隔热效果。
所述莱顿弗罗斯特现象演示装置在使用时,先在水箱9的内部注入清水,然后给加热板4通电从而对演示板5加热,当演示板5中所述锯齿面的温度大于或等于193℃时,启动水泵8,水泵8将水箱9内部的清水输送至滴水管7,滴水管7的出水口向下滴落水滴71,水滴71落到炙热的演示板5中锯齿面的下端,水滴在炙热的锯齿面时,水滴底部立即形成一层水蒸汽,使得水滴悬浮起来,把水滴与锯齿面隔开,锯齿面向液体进行的热传导需要通过蒸气层,由于水蒸气的传热比液体水慢得多,悬浮起来的水滴暂时不能吸收更多的热量,减慢了汽化速度,因此悬浮可以持续一定的时间;受重力作用,水滴的大部分在位置低的区域,水滴与斜齿面512的接触面大;而位置高处的水滴体积小,水滴与竖齿面511的接触面小,因为蒸汽层的产生,瞬间膨胀,水滴同时受到竖齿面511和斜齿面512的推力,斜齿面512对水滴斜向上的推力大于竖齿面511的推力,当斜齿面512对水滴斜向上的推力作用大于重力以及竖齿面511的推力作用时,此时的水滴受到斜向上的合力,在该合力的推动下,促使水滴向上运动,即发生莱顿弗罗斯特效应,从而达到“水往上流”这样的演示效果。其中,所述水泵8可优选为蠕动泵。
在本实施例中,所述锯齿面在水平面的投影为长板状。发生莱顿弗罗斯特效应时,所述锯齿面的温度为218±1℃。
进一步地,为降低外界的干扰;所述演示板5的外部套设有透明防护罩6,所述隔热托盘2和滴水管7均设置在透明防护罩6的内部。所述透明防护罩6能够对演示板5以及正在演示的水滴71进行防护,从而避免外界干扰水滴71的运动。
进一步地,所述隔热托盘2的底部安装有回水槽21,所述回水槽21的槽底与水箱9之间设置有回水管22,所述回水管22的下端通到水箱9的内部,所述回水管22的上端与回水槽21的内腔连通。所述水滴71在演示结束后会从锯齿面的最高端处滚出,然后落到回水槽21,水滴71在回水槽21的内部汇聚成回收水,回收水会通过回水管22最终流回到水箱9的内部。
实施例2
本实施例与实施例1的区别为演示板5的结构不同。在本实施例中,所述锯齿面由若干个锯齿51组成,所述锯齿51包括竖齿面511和斜齿面512;所述锯齿面在水平面的投影为U形,此时,所述β/α=39.7。其中,所述竖齿面511和斜齿面512之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。在该实施例中,所述锯齿面的温度为218±1℃时,水滴71会在锯齿面发生莱顿弗罗斯特效应,即水滴71会从锯齿面的最低端迅速向上蹦跶最终从锯齿面的最高端蹦出,所述水滴71的运动轨迹在水平面的投影为U形,所述水滴71的运动轨迹不再是随机、无序的。
实施例3
本实施例与实施例1的区别为演示板5的结构不同。在本实施例中,所述锯齿面由若干个锯齿51组成,所述锯齿51包括竖齿面511和斜齿面512;所述锯齿面为螺旋状,所述β/α=18.5。其中,所述竖齿面511和斜齿面512之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。在该实施例中,所述锯齿面的温度为218±1℃时,水滴71会在锯齿面发生莱顿弗罗斯特效应,即水滴71会从锯齿面的最低端迅速向上蹦跶最终从锯齿面的最高端蹦出,所述水滴71的运动轨迹为螺旋状,所述水滴71的运动轨迹不再是随机、无序的。
实施例4
本实施例与实施例1的区别为演示板5的结构不同。在本实施例中,所述锯齿面由若干个锯齿51组成,所述锯齿51包括竖齿面511和斜齿面512;所述锯齿面为螺旋状,所述β/α=39.7。其中,所述竖齿面511和斜齿面512之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。在该实施例中,所述锯齿面的温度为218±1℃时,水滴71会在锯齿面发生莱顿弗罗斯特效应。但是,由于所述β/α≠18.5,β/α之间的比值与实施例3中的比值相差过大,在水滴71从锯齿面的最低端迅速向上蹦跶的过程中,水滴71的运动轨迹不再稳定,其运动轨迹不再呈现螺旋状,水滴71在还未运动到锯齿面最高端的过程中经常从锯齿面的两侧飞出,也就是说,所述水滴71的运动轨迹不再是规则形状,而且呈现无序状态,不能够从锯齿面的最低端运动至锯齿面的最高端,虽然,水滴71还能够保持向上运动,但是由于其运动轨迹不再呈现螺旋状,将锯齿面设置成螺旋状变得无意义。
在上述实施例中,所述莱顿弗罗斯特现象演示装置操作简单,能够完美、直观的演示莱顿弗罗斯特效应,有助于启发、引导观众对现象背后的科学原理、科学技术的探索,从而达到推广科普知识的目的。在进行演示时,通过对演示板5中锯齿面的结构的优化设计,从而使得演示水滴71的运动轨迹不再处于随机、无序的状态,演示板5的结构可设计成多种形态,从而使得演示效果呈现多样化,不但有助于提高观察效果,而且还能够显著提高演示的趣味性,有助于激发观众的好奇心。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:包括演示平台(1)、位于演示平台(1)上方的演示板(5)、滴水管(7)、水泵(8)、水箱(9),所述演示平台(1)的台面固设有隔热托盘(2),所述隔热托盘(2)设置在演示板(5)的下方,所述隔热托盘(2)与演示板(5)之间固设有加热板(4),所述水泵(8)的输入端与水箱(9)的内腔连通,所述水泵(8)的输出端与滴水管(7)的进水口连通;所述演示板(5)的上表面为具有坡度的锯齿面,所述滴水管(7)的出水口设置在锯齿面下端的正上方;所述锯齿面由若干个锯齿(51)组成,所述锯齿(51)包括竖齿面(511)和斜齿面(512),所述竖齿面(511)和斜齿面(512)之间的夹角为β,70°<β<85°;所述锯齿面的坡角为α,0°<α<20°。
2.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述锯齿面的温度大于或等于193℃。
3.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述锯齿面在水平面的投影为长板状。
4.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述锯齿面在水平面的投影为U形。
5.根据权利要求4所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述β/α=39.7。
6.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述锯齿面为螺旋状。
7.根据权利要求6所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述β/α=18.5。
8.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述演示板(5)的外部套设有透明防护罩(6),所述隔热托盘(2)和滴水管(7)均设置在透明防护罩(6)的内部。
9.根据权利要求1所述的一种莱顿弗罗斯特现象演示装置,其特征在于:所述隔热托盘(2)的底部安装有回水槽(21),所述回水槽(21)的槽底与水箱(9)之间设置有回水管(22),所述回水管(22)的下端通到水箱(9)的内部,所述回水管(22)的上端与回水槽(21)的内腔连通。
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