材料导热性能差异的光学观测实验装置与实验方法

摘要

一种材料导热性能差异的光学观测实验装置，在底座上设置有透明的水槽，水槽长度方向中部的前后侧壁上设置有一块将水槽分隔成左水槽和右水槽的导热板，导热板由不同导热系数的平板状材料由下而上相互粘结构成，在水槽的后侧壁外底座上设置有光屏、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、鲍威尔棱镜和菲涅耳透镜，半导体激光器输出的激光束依次透过鲍威尔棱镜和菲涅耳透镜，形成的激光矩形片光从左水槽中透过水槽的前后侧壁、紧贴导热板处通过，投射在光屏上，形成一条垂直光带；本发明结构简单、成本低、携带方便，现象明显，非常适合传热学教学的课堂演示。

权利要求

1.一种材料导热性能差异的光学观测实验装置，其特征在于：在底座（1）上设置有透明的水槽（2），水槽（2）长度方向中部的前后侧壁上设置有一块将水槽（2）分隔成左水槽（2-1）和右水槽（2-2）的导热板（3），导热板（3）由不同导热系数的平板状材料由下而上相互粘结构成，在水槽（2）的后侧壁外底座（1）上设置有光屏（4）、前侧壁外底座（1）上设置有激光器支架（5），激光器支架（5）上设置有半导体激光器（6）、鲍威尔棱镜（7）和菲涅耳透镜（8），半导体激光器（6）输出的激光束依次透过鲍威尔棱镜（7）和菲涅耳透镜（8），形成的激光矩形片光从左水槽（2-1）中透过水槽（2）的前后侧壁、紧贴导热板（3）处通过，投射在光屏（4）上，形成一条垂直光带。

2.根据权利要求1所述的材料导热性能差异的光学观测实验装置，其特征在于：所述的激光矩形片光的竖直中心平面平行于导热板（3），激光矩形片光的竖直中心平面与导热板（3）的距离为激光矩形片光厚度的一半。

3.根据权利要求1或2所述的材料导热性能差异的光学观测实验装置，其特征在于：所述的导热板（3）由相同厚度、相同宽度、相同高度的紫铜板、石英玻璃板、有机玻璃由上而下粘结构成，导热板（3）的厚度为3～6mm。

4.一种使用权利要求1材料导热性能差异的光学观测实验装置的实验方法，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（6）的电源，调整半导体激光器（6）、鲍威尔棱镜（7）、菲涅耳透镜（8）的位置，观察自来水中激光矩形片光的径迹，使激光矩形片光紧贴导热板（3），投射在光屏（4）上，在光屏（4）上标示垂直光带的位置；

（2）、在右水槽（2-2）中加入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，观察光屏（4）上垂直光带的形状变化与移动情况，通过观察光屏（4）上的上、中、下三段垂直光带离开原先位置的先后次序和距离大小，实现相同温差下，相同厚度、不同导热系数的紫铜板、石英玻璃板、有机玻璃板的导热性能差异的实时可视化。

说明书

材料导热性能差异的光学观测实验装置与实验方法

技术领域

[0001] 本发明属于传热学实验仪器技术领域，具体涉及到传热过程中光学演示装置。

背景技术

[0002] 导热系数是反映材料导热性能的重要参数，定量描述了材料导热能力的强弱。测量导热系数的方法与仪器很多，但基本都是定量测量仪器，且仪器成本很高、构成复杂，需要专业人员操作。材料导热系数是一个比较抽象的概念，对于相同导热厚度，又处于相同温差下的不同材料，它又反映了其导热速度的快慢，导热系数越小，其导热速度越低，也就是绝热性能越好；导热系数越大，则导热速度越快。如果能同步、快速、直观的比较多种不同材料导热性能的差异，将更有益于学生对导热系数物理本质的理解。但目前没有见到面向学生的成本低、方法简单、效果直观的同步观察不同材料导热性能差异的实验演示装置。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种材料导热性能差异的光学观测实验装置。

[0004] 本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用材料导热性能差异的光学观测实验装置的实验方法。

[0005] 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的水槽，水槽长度方向中部的前后侧壁上设置有一块将水槽分隔成左水槽和右水槽的导热板，导热板由不同导热系数的平板状材料由下而上相互粘结构成，在水槽的后侧壁外底座上设置有光屏、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、鲍威尔棱镜和菲涅耳透镜，半导体激光器输出的激光束依次透过鲍威尔棱镜和菲涅耳透镜，形成的激光矩形片光从左水槽中透过水槽的前后侧壁、紧贴导热板处通过，投射在光屏上，形成一条垂直光带。

[0006] 本发明的的激光矩形片光的竖直中心平面平行于导热板，激光矩形片光的竖直中心平面与导热板的距离为此处激光矩形片光厚度的一半。

[0007] 本发明的导热板由相同厚度、相同宽度、相同高度的紫铜板、石英玻璃板、有机玻璃由上而下粘结构成，导热板的厚度为3～6mm。

[0008] 使用上述实验装置的实验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：

[0009] (1)、在左水槽中加入自来水，接通半导体激光器的电源，调整半导体激光器、鲍威尔棱镜、菲涅耳透镜的位置，观察自来水中激光矩形片光的径迹，使激光矩形片光紧贴导热板，投射在光屏上，在光屏上标示垂直光带的位置；

[0010] (2)、在右水槽中加入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，观察光屏上垂直光带的形状变化与移动情况，通过观察光屏上的上、中、下三段垂直光带离开原先位置的先后次序和距离大小，实现相同温差下，相同厚度、不同导热系数的紫铜板、石英玻璃板、有机玻璃板的导热性能差异的实时可视化。

[0011] 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，将反映导热板中紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板不同导热性能的紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板与自来水界面附近水中的温度梯度的大小、方向及变化过程，用通过导热板中紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板与自来水界面附近水中的激光矩形片光中不同光线的不同大小的偏折角、偏折方向及变化规律来显现。激光矩形片光中不同光线不同大小的偏折角、偏折方向，又通过光屏上激光矩形片光投射的垂直光带分段离开原先位置的先后次序和距离的相对大小，实现了在相同温差下，不同材料导热特性的实时可视化动态显示。

[0012] 本发明结构简单、成本低、携带方便，现象明显，非常适合传热学教学的课堂演示。

附图说明

[0013] 图1是本发明实施例1的结构示意图。

[0014] 图2是图1的俯视图。

[0015] 图3是实施例1中垂直光带照片

[0016] 图4是实施例1中垂直光带上部向左移动照片

[0017] 图5是实施例1中垂直光带变为上、中、下三段垂直光带的照片。

具体实施方式

[0018] 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。

[0019] 实施例1

[0020] 在图1、2中，本实施例的材料导热性能差异的光学观测实验装置由底座1、水槽2、导热板3、光屏4、激光器支架5、半导体激光器6、鲍威尔棱镜7、菲涅耳透镜8联接构成。

[0021] 在底座1上放置有水槽2，本实施例的水槽2为长方体透明水槽2，在水槽2长度方向中部的前后侧壁上用胶密封粘结有一块导热板3，导热板3与水槽2的前后侧壁垂直。本实施例的导热板3由相同厚度、相同宽度、相同高度的紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板由上至下相互粘结构成，导热板3的厚度为3～6mm，导热板3将水槽2分隔成两个相互独立的左水槽2-1和右水槽2-2。在水槽2的后侧壁外底座1上放置有光屏4，光屏4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5，激光器支架5上用螺纹紧固联接件固定联接安装有半导体激光器6、鲍威尔棱镜7和菲涅耳透镜8，半导体激光器6输出的激光束依次透过鲍威尔棱镜7和菲涅耳透镜8后，形成激光矩形片光，激光矩形片光从左水槽2-1中透过水槽2的前后侧壁、并紧贴导热板3处通过，投射在光屏4上，形成一条垂直光带。激光矩形片光的竖直中心平面平行于导热板3，激光矩形片光的竖直中心平面与导热板3的距离为此处激光矩形片光厚度的一半。

[0022] 使用材料导热性能差异的光学观测装置的实验方法如下：

[0023] 1、在左水槽2-1中加入自来水，接通半导体激光器6的电源，调整半导体激光器6、鲍威尔棱镜7、菲涅耳透镜8的位置，观察自来水中激光矩形片光的径迹，使激光矩形片光紧贴导热板3，投射在光屏4上，在光屏4上标示图3所示的垂直光带的位置。

[0024] 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，观察光屏4上垂直光带的形状变化与移动情况。

[0025] 当光屏4上垂直光带出现如图4所示的变化，即光屏4上垂直光带的上部段首先向左水槽2-1方向水平移动，说明在导热板3两侧温差相同的情况下，右水槽2-2中热水的热量首先通过导热板3上部的紫铜板传导到自来水中，随后又依次看到光屏4上垂直光带的中部段和下部段也先后向左水槽2-1方向水平移动，形成图5所示的离开原先的垂直光带位置不同距离的上、中、下三段垂直光带。上、中、下三段垂直光带离开原先位置的先后次序和距离大小，反映了在导热板3开始导热时，相同温差下，相同厚度、不同导热系数的紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板的导热快慢，即实现了紫铜板、石英玻璃板和有机玻璃板导热性能差异的实时可视化。

[0026] 本发明的工作原理如下：

[0027] 本发明通过在导热板3两侧的左、右水槽2-2中充满的不同温度的水，在导热板3两侧形成建立相同的温差，以此观测相同温差、相同厚度、不同导热性能材料的导热过程。由于本装置中导热板3的面积是固定的，因此右水槽2-2中热水通过导热板3传递到左水槽2-1自来水中热量的快慢，是由导热板3的导热性能决定的。而导热板3的导热性能，在导热过程中体现为导热板3与自来水界面附近的温度梯度大小。导热板3与自来水界面附近出现温度梯度，说明右水槽2-2中热水热量通过导热板3已传导到自来水中。在导热板3两侧温差相同的情况下，导热板3中紫铜板的导热性能最好，在同一时刻，位于导热板3上部的紫铜板与自来水界面附近水中的温度梯度就最大，单位时间传导的热量就最多，即传热速度就最快。反之亦然。

[0028] 导热板3与自来水界面附近水中的梯度温度场，同时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，光线通过导热板3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。在导热板3中紫铜板的导热性能最好，即紫铜板的导热速度最快，在紫铜板与自来水界面附近的水中形成的温度场的梯度最大，激光矩形片光中通过该处的光线的偏折角就最大。相应的在同一时刻，由于导热板3中石英玻璃、有机玻璃的导热性能依次变差，石英玻璃、有机玻璃与自来水界面附近的水中形成的温度场的梯度也依次减小，激光矩形片光中通过该处的光线的偏折角就相应的依次减小。在光屏4上就显示出原先的一条垂直光带被分成不连续三个垂直光带段。与紫铜板相对应的垂直光带段离开原位的距离最大，与有机玻璃板相对应的垂直光带段离开原位的距离最小。上述过程说明，在右水槽2-2中加入热水后的一段时间内，通过观察光屏4上原来的一条垂直光带被分成三个垂直光带段的时间先后、离开原位距离的相对大小，实现了不同材料导热特性差异的实时可视化演示。