透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置與實(shí)驗(yàn)演示方法
【專利摘要】一種透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置，在底座上左側(cè)設(shè)上端設(shè)置有左水槽蓋板的左水槽、右側(cè)設(shè)上端設(shè)置有右水槽蓋板的右水槽，左水槽與右水槽之間設(shè)置有透明的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱體的左端面為左水槽的右側(cè)壁、右端面為右水槽的左側(cè)壁，左水槽、右水槽、導(dǎo)熱體的外側(cè)壁上設(shè)置有保溫層，設(shè)置在導(dǎo)熱體激光入射面和激光出射面的保溫層上加工有透光孔，導(dǎo)熱體的后側(cè)底座上放置有光屏，左水槽、導(dǎo)熱體的前側(cè)底座上放置有激光器支架，激光器支架上由左向右依次設(shè)置有半導(dǎo)體激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、反光鏡，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便、演示效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，適合于傳熱學(xué)教學(xué)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】
透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置與實(shí)驗(yàn)演示方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置與實(shí)驗(yàn)演示方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳熱學(xué)是研究溫差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，由于自然界和生產(chǎn)技術(shù)中到處存在著促使熱量傳遞的溫差，所以“傳熱學(xué)”的理論在自然界及各個(gè)領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。因此，它已成為許多工科專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程。能否學(xué)好這門課程勢必影響學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，影響學(xué)生在未來工作中運(yùn)用“傳熱學(xué)”知識(shí)解決工程問題的能力。演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于幫助學(xué)生觀察熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，增加感性知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。大學(xué)傳熱學(xué)課程的主要內(nèi)容都應(yīng)有演示實(shí)驗(yàn)，將演示實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)，不僅是提高教學(xué)質(zhì)量的需要，更是教育部對(duì)大學(xué)傳熱學(xué)教學(xué)的基本要求。演示實(shí)驗(yàn)根據(jù)開展的地點(diǎn)可以分為課堂演示實(shí)驗(yàn)、展廳演示實(shí)驗(yàn)、走廊演示實(shí)驗(yàn)、戶外演示實(shí)驗(yàn)等。其中課堂演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是演示儀器攜帶方便、演示現(xiàn)象明顯、操作簡單、受益面廣等。它不僅使傳統(tǒng)的理論教學(xué)更加形象生動(dòng)，而且更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課堂互動(dòng)中培養(yǎng)了學(xué)生觀察、分析和思維能力，是提高傳熱學(xué)教學(xué)效果的有效手段。材料中熱傳導(dǎo)過程及其相關(guān)因素的研究，是傳熱學(xué)中的重要問題之一，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)過程與傳熱方向的同步實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示，在傳熱學(xué)的教學(xué)中具有重要意義。目前面向?qū)W生的熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，基本限于金屬材料的導(dǎo)熱演示，而對(duì)于熱量在透明固體材料傳導(dǎo)過程的實(shí)時(shí)觀測，目前還沒有見到這類教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示儀器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種示直觀、演示效果好的透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題在于提供一種使用透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置的實(shí)驗(yàn)演示方法。
[0005]解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:在底座上左側(cè)設(shè)上端設(shè)置有左水槽蓋板的左水槽、右側(cè)設(shè)上端設(shè)置有右水槽蓋板的右水槽，左水槽與右水槽之間設(shè)置有透明的導(dǎo)熱體，導(dǎo)熱體的左端面為左水槽的右側(cè)壁、右端面為右水槽的左側(cè)壁，左水槽、右水槽、導(dǎo)熱體的外側(cè)壁上設(shè)置有保溫層，設(shè)置在導(dǎo)熱體激光入射面和激光出射面的保溫層上加工有透光孔，導(dǎo)熱體的后側(cè)底座上放置有光屏，左水槽、導(dǎo)熱體的前側(cè)底座上放置有激光器支架，激光器支架上由左向右依次設(shè)置有半導(dǎo)體激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、反光鏡，半導(dǎo)體激光器的激光出射方向與導(dǎo)熱體前側(cè)面平行，第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、反光鏡的鏡面與激光出射方向成45°的夾角。
[0006]本發(fā)明的導(dǎo)熱體的幾何形狀為四棱柱體，四棱柱體的長度為4?8cm。
[0007]本發(fā)明的的四棱柱體為長方體。
[0008]本發(fā)明的第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡的反射率為30%。
[0009]使用上述裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于它是由下述步驟組成:
[0010](I)、在右水槽中加滿自來水，蓋上右水槽蓋板，接通半導(dǎo)體激光器的電源，調(diào)整半導(dǎo)體激光器、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、反光鏡的位置，使反射的四束激光透過導(dǎo)熱體，投射在光屏上形成4個(gè)等距、在一條直線上的投射光點(diǎn)，標(biāo)示4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置；
[0011 ] (2)、在左水槽中加入80?90 0C的熱水，使熱水水面與右水槽中自來水水面的高度相同，蓋上左水槽蓋板，觀察光屏上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的移動(dòng)情況，通過觀察光屏上4個(gè)光點(diǎn)的移動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)透明固體材料導(dǎo)熱過程的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示。
[0012]本發(fā)明將反映石英玻璃導(dǎo)熱體4導(dǎo)熱過程的石英玻璃導(dǎo)熱體4中熱傳導(dǎo)方向上的溫度梯度大小和變化規(guī)律，利用通過石英玻璃導(dǎo)熱體4溫差方向不同位置激光束的偏折方向來顯現(xiàn)。激光束的偏折方向，又通過光屏5上光點(diǎn)的移動(dòng)方向和移動(dòng)次序，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃導(dǎo)熱體4導(dǎo)熱過程的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便、演示效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，適合于傳熱學(xué)教學(xué)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中光屏5上4個(gè)等距離激光投射光點(diǎn)的照片。
[0015]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1中靠近石英玻璃導(dǎo)熱體4左端面激光束向右移動(dòng)后的照片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施例。
[0017]實(shí)施例1
[0018]在圖1、2中，本實(shí)施例的透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置由底座1、左水槽2、左水槽蓋板3、導(dǎo)熱體4、光屏5、右水槽6、右水槽蓋板7、保溫層8、激光器支架9、反光鏡10、第三分光鏡11、第二分光鏡12、第一分光鏡13、半導(dǎo)體激光器14構(gòu)成。
[0019]在底座I上左側(cè)放置有左水槽2、右側(cè)放置有右水槽6，在左水槽2與右水槽6之間通過導(dǎo)熱體4聯(lián)接，導(dǎo)熱體4的左端面為左水槽2的右側(cè)壁，導(dǎo)熱體4的右端面為右水槽6的左側(cè)壁，左水槽2與右水槽6的容積相等，左水槽2上端蓋有左水槽蓋板3，右水槽6上端蓋有右水槽蓋板7，左水槽2、右水槽6內(nèi)裝有不同溫度的水，左水槽2、右水槽6的側(cè)壁的外表面上包裹有保溫層8，保溫層8用于對(duì)左水槽2、右水槽6內(nèi)裝的水進(jìn)行保溫。本實(shí)施例的導(dǎo)熱體4為石英玻璃材料制成，導(dǎo)熱體4的幾何形狀為長方體，導(dǎo)熱體4的長度為4?8cm，導(dǎo)熱體4的外表面上包裹有保溫層8，包裹在導(dǎo)熱體4前側(cè)面和后側(cè)面的保溫層8上加工有透光孔，光可從透光孔穿過。在導(dǎo)熱體4的后側(cè)底座I上放置有光屏5，光屏5用于成像。在左水槽2、導(dǎo)熱體4的前側(cè)底座I上放置有激光器支架9，激光器支架9上由左向右用螺紋緊固聯(lián)接件依次固定聯(lián)接安裝有半導(dǎo)體激光器14、第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11、反光鏡10，半導(dǎo)體激光器14用于產(chǎn)生激光，半導(dǎo)體激光器14的激光出射方向與導(dǎo)熱體4的前側(cè)面平行，第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11、反光鏡10的鏡面與激光出射方向成45°的夾角，第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11的反射率為30 %，半導(dǎo)體激光器14出射的激光束依次通過第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11后到達(dá)反光鏡10，第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11和反光鏡10反射的激光束，平行、等距、垂直通過導(dǎo)熱體4上前后側(cè)壁保溫層8上的透光孔，透過導(dǎo)熱體4，投射在光屏5上，在光屏5上形成4個(gè)等距離、在一條直線上的光點(diǎn)。由左向右第一分光鏡13反射的激光束靠近導(dǎo)熱體4的左端面，透過導(dǎo)熱體4投射在光屏5上;反光鏡10反射的激光束靠近導(dǎo)熱體4的右端面，透過導(dǎo)熱體4投射在光屏5上。
[0020]使用透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置的實(shí)驗(yàn)方法步驟如下:
[0021 ] 1、在右水槽6中加滿自來水，蓋上右水槽蓋板7，接通半導(dǎo)體激光器14的電源，調(diào)整半導(dǎo)體激光器14、第一分光鏡13、第二分光鏡12、第三分光鏡11、反光鏡10的位置，使反射的四束激光透過導(dǎo)熱體4，投射在光屏5上形成如圖2所示的4個(gè)等距、在一條直線上的投射光點(diǎn)，標(biāo)示4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。
[0022]2、在左水槽2中加入溫度80?90°C的熱水，使熱水水面與右水槽6中自來水水面的高度相同，蓋上左水槽蓋板3，同步觀察光屏5上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的移動(dòng)情況。
[0023]當(dāng)光屏5上的投射光點(diǎn)位置出現(xiàn)如圖3所示的變化，即靠近石英玻璃導(dǎo)熱體4左端面的第一分光鏡13反射的激光束在光屏5上投射光點(diǎn)首先向右水平移動(dòng)時(shí)，說明左水槽2中熱水的熱量已通過導(dǎo)熱體4向右傳導(dǎo)，隨著時(shí)間的延長，光屏5上由左向右的其它投射光點(diǎn)依次向右移動(dòng)，說明熱傳遞在導(dǎo)熱體4中進(jìn)行，當(dāng)光屏5上最右邊的投射光點(diǎn)向右移動(dòng)時(shí)，說明左水槽2中熱水的熱量通過導(dǎo)熱體4已傳導(dǎo)到右水槽6的自來水中。即通過觀察光屏5上4個(gè)光點(diǎn)的移動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)了透明固體材料導(dǎo)熱過程的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示。
[0024]實(shí)施例2
[0025]在本實(shí)施例中，在左水槽2與右水槽6之間用光學(xué)膠粘接有導(dǎo)熱體4，導(dǎo)熱體4的左端面為左水槽2的右側(cè)壁，導(dǎo)熱體4的右端面為右水槽6的左側(cè)壁，本實(shí)施例的導(dǎo)熱體4為石英玻璃材料制成，導(dǎo)熱體4的幾何形狀為長方體，導(dǎo)熱體4的長度為4cm。其它零部件以及零部件的連接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
[0026]實(shí)施例3
[0027]在本實(shí)施例中，在左水槽2與右水槽6之間用光學(xué)膠粘接有導(dǎo)熱體4，導(dǎo)熱體4的左端面為左水槽2的右側(cè)壁，導(dǎo)熱體4的右端面為右水槽6的左側(cè)壁，本實(shí)施例的導(dǎo)熱體4為石英玻璃材料制成，導(dǎo)熱體4的幾何形狀為長方體，導(dǎo)熱體4的長度為8cm。其它零部件以及零部件的連接關(guān)系與實(shí)施例1相同。
[0028]本發(fā)明的工作原理如下:
[0029]本發(fā)明通過在導(dǎo)熱體4兩端的左水槽2和右水槽6中加入不同溫度的水，在石英玻璃導(dǎo)熱體4中兩端形成溫差，以此觀測導(dǎo)熱體4的導(dǎo)熱過程。本發(fā)明裝置中導(dǎo)熱體4的導(dǎo)熱過程與快慢，由導(dǎo)熱體4中導(dǎo)熱方向上不同位置的溫度梯度的大小所決定。導(dǎo)熱體4中不同位置出現(xiàn)溫度梯度，說明左水槽2中熱水熱量在導(dǎo)熱體4中已傳導(dǎo)到該處。由材料的熱光效應(yīng)可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫高則折射率小，溫度低則折射率大。因此，在石英玻璃導(dǎo)熱體4中的梯度溫度場，就形成了相應(yīng)的梯度折射率場。
[0030]眾所周知，光線在梯度折射率場中傳輸時(shí)向折射率大的區(qū)域偏折，折射率梯度越大，光線的偏折角度越大。由于溫度梯度是熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力，因此在導(dǎo)熱體4的導(dǎo)熱過程中，導(dǎo)熱體4中必然存在梯度溫度場。當(dāng)激光束通過導(dǎo)熱體4中的梯度溫度場時(shí)，就會(huì)向溫度較低的區(qū)域(右水槽6側(cè))方向偏折。隨著導(dǎo)熱體4中熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，導(dǎo)熱體4中傳導(dǎo)方向上從左向右不同位置通過的激光束，將依次出現(xiàn)向溫度較低一側(cè)(右水槽6方向)的偏折，相應(yīng)的三個(gè)分光鏡和反射鏡反射的激光束在光屏5上的投射光點(diǎn)均向右移動(dòng)。即通過光屏5上投射光點(diǎn)的移動(dòng)方向和移動(dòng)的先后次序，實(shí)現(xiàn)了石英玻璃導(dǎo)熱體4的導(dǎo)熱過程的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯不O
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置，其特征在于:在底座(I)上左側(cè)設(shè)上端設(shè)置有左水槽蓋板(3)的左水槽(2)、右側(cè)設(shè)上端設(shè)置有右水槽蓋板(7)的右水槽(6)，左水槽(2)與右水槽(6)之間設(shè)置有透明的導(dǎo)熱體(4)，導(dǎo)熱體(4)的左端面為左水槽(2)的右側(cè)壁、右端面為右水槽(6)的左側(cè)壁，左水槽(2)、右水槽(6)、導(dǎo)熱體(4)的外側(cè)壁上設(shè)置有保溫層(8)，設(shè)置在導(dǎo)熱體(4)激光入射面和激光出射面的保溫層(8)上加工有透光孔，導(dǎo)熱體(4)的后側(cè)底座(I)上放置有光屏(5)，左水槽(2)、導(dǎo)熱體(4)的前側(cè)底座(I)上放置有激光器支架(9)，激光器支架(9)上由左向右依次設(shè)置有半導(dǎo)體激光器(14)、第一分光鏡(13)、第二分光鏡(I2)、第三分光鏡(11)、反光鏡(10)，半導(dǎo)體激光器(14)的激光出射方向與導(dǎo)熱體(4)前側(cè)面平行，第一分光鏡(13)、第二分光鏡(12)、第三分光鏡(11)、反光鏡(10)的鏡面與激光出射方向成45°的夾角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置，其特征在于:所述的導(dǎo)熱體(4)的幾何形狀為四棱柱體，四棱柱體的長度為4?8cm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置，其特征在于:所述的四棱柱體為長方體。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置，其特征在于:所述的第一分光鏡(13)、第二分光鏡(12)、第三分光鏡(11)的反射率為30%。5.—種使用權(quán)利要求1透明固體材料導(dǎo)熱過程光學(xué)觀測裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于它是由下述步驟組成: (1)、在右水槽(6)中加滿自來水，蓋上右水槽蓋板(7)，接通半導(dǎo)體激光器(14)的電源，調(diào)整半導(dǎo)體激光器(14)、第一分光鏡(13)、第二分光鏡(12)、第三分光鏡(11)、反光鏡(10)的位置，使反射的四束激光透過導(dǎo)熱體(4)，投射在光屏(5)上形成4個(gè)等距、在一條直線上的投射光點(diǎn)，標(biāo)示4個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置； (2)在左水槽(2)中加入80?900C的熱水，使熱水水面與右水槽(6)中自來水水面的高度相同，蓋上左水槽蓋板(3)，觀察光屏(5)上4個(gè)激光投射光點(diǎn)的移動(dòng)情況，通過觀察光屏(5)上4個(gè)光點(diǎn)的移動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)透明固體材料導(dǎo)熱過程的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示。
【文檔編號(hào)】G09B23/16GK106097847SQ201610616967
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月30日 公開號(hào)201610616967.1, CN 106097847 A, CN 106097847A, CN 201610616967, CN-A-106097847, CN106097847 A, CN106097847A, CN201610616967, CN201610616967.1
【發(fā)明人】張宗權(quán), 田玉龍, 徐銘, 耿玉, 時(shí)俊仙
【申請(qǐng)人】陜西師范大學(xué)