本發(fā)明屬于熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到傳熱的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

物體傳熱速度由兩個(gè)因素決定，一個(gè)是溫度差，另一個(gè)熱阻。在同一材料、相同導(dǎo)熱長(zhǎng)度，即熱阻相同的情況下，溫度差越大，導(dǎo)熱速度越快；相應(yīng)的在溫差相同的情況下，熱阻越大，則導(dǎo)熱速度越慢，通過(guò)增大保溫層厚度，增強(qiáng)保溫效果的原理所在。由于物體導(dǎo)熱過(guò)程的不可視性，對(duì)于溫差、熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的理解，在傳熱學(xué)教學(xué)過(guò)程中通常用電阻、電壓、電流及相互間的關(guān)系來(lái)類比，由于材料的導(dǎo)電速度并不受電壓、電阻大小的制約，因此這種簡(jiǎn)單的類比，往往會(huì)造成學(xué)生對(duì)二者物理本質(zhì)的誤解。熱阻與導(dǎo)熱速度的關(guān)系，是傳熱學(xué)的基本問(wèn)題之一，實(shí)現(xiàn)熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化動(dòng)態(tài)顯示，不僅能使傳統(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，這是提高傳熱學(xué)教學(xué)效果的有效手段，在熱學(xué)教學(xué)中，目前還沒(méi)有見到這類實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種演示直觀、演示效果好的熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置。

本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題在于提供一種使用熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法。

解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：在底座上設(shè)置有透明的水槽，水槽長(zhǎng)度方向中部的前側(cè)壁和后側(cè)壁上設(shè)置有一塊將水槽分隔成左水槽和右水槽的導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板的左側(cè)面為平面，導(dǎo)熱板的右側(cè)面至上而下為上臺(tái)階板、中臺(tái)階板下臺(tái)階板，在水槽的后側(cè)壁外底座上設(shè)置有光屏、前側(cè)壁外底座上設(shè)置有激光器支架，激光器支架上設(shè)置有上半導(dǎo)體激光器、中半導(dǎo)體激光器、下半導(dǎo)體激光器，3個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出3條激光束從左水槽中緊貼導(dǎo)熱板左側(cè)面處且與左側(cè)面和水平面平行通過(guò)，3個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出3條激光束中軸線分別位于上臺(tái)階板、中臺(tái)階板、下臺(tái)階板的水平中心平面內(nèi)，透過(guò)水槽前后側(cè)壁的三束激光束投射在光屏上，形成在一條垂直直線上的3個(gè)等距離光點(diǎn)。

本發(fā)明的上半導(dǎo)體激光器、中半導(dǎo)體激光器、下半導(dǎo)體激光器輸出激光束的中軸線與導(dǎo)熱板左側(cè)面的距離與該處激光束截面半徑長(zhǎng)度相等。

本發(fā)明的上臺(tái)階板、中臺(tái)階板、下臺(tái)階板的高度相等，上表面與水平面平行。

本發(fā)明的上臺(tái)階板的厚度為1mm、中臺(tái)階板的厚度為4mm、下臺(tái)階板的厚度為7mm。

本發(fā)明的導(dǎo)熱板為有機(jī)玻璃或石英玻璃或鋁板。

使用上述實(shí)驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于它是由下述步驟組成：

(1)、在左水槽中加滿自來(lái)水，接通上半導(dǎo)體激光器、中半導(dǎo)體激光器、下半導(dǎo)體激光器的電源，調(diào)整上半導(dǎo)體激光器、中半導(dǎo)體激光器、下半導(dǎo)體激光器的位置，觀察自來(lái)水中激光束的徑跡，使激光束緊貼導(dǎo)熱板，投射在光屏上，在光屏上標(biāo)示3個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置；

(2)、在右水槽中加入溫度80～90℃的熱水，使熱水水面與左水槽中自來(lái)水水面的高度相同，觀察光屏4上3個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況,通過(guò)觀察光屏4上3個(gè)一字形光斑出現(xiàn)的先后次序和長(zhǎng)度的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化。

本發(fā)明通過(guò)導(dǎo)熱板兩側(cè)設(shè)置不同溫度的水，在導(dǎo)熱板兩側(cè)建立溫差，將反映不同厚度臺(tái)階板導(dǎo)熱過(guò)程的臺(tái)階板與自來(lái)水界面附近水中溫度梯度的大小、方向及變化過(guò)程，利用通過(guò)不同厚度臺(tái)階板與自來(lái)水界面附近水中的激光束的偏折角的大小、偏折方向及變化規(guī)律來(lái)顯現(xiàn)。激光束偏折角的大小、偏折方向及變化規(guī)律，又通過(guò)光屏上激光束投射光點(diǎn)的形狀、擴(kuò)展方向以及擴(kuò)展的一字形光斑長(zhǎng)度的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)了在相同溫差下，不同熱阻(不同厚度臺(tái)階板)的導(dǎo)熱速度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、攜帶方便，現(xiàn)象明顯，適用于傳熱學(xué)教學(xué)的課堂演示實(shí)驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的俯視圖。

圖3是圖1的左視圖。

圖4是實(shí)施例1中三個(gè)激光投射光點(diǎn)的照片

圖5是實(shí)施例1中長(zhǎng)度依次遞減的三個(gè)一字形光斑的照片

具體實(shí)施方式

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(shuō)明，但本發(fā)明不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

在圖1、2、3中，本實(shí)施例的熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置由水槽1、導(dǎo)熱板2、底座3、光屏4、激光器支架5、上半導(dǎo)體激光器6、中半導(dǎo)體激光器7、下半導(dǎo)體激光器8聯(lián)接構(gòu)成。

在底座3上放置有水槽1，本實(shí)施例的水槽1為長(zhǎng)方體透明的水槽1，在水槽1長(zhǎng)度方向中部的前后側(cè)壁上用膠密封粘結(jié)有一塊導(dǎo)熱板2，導(dǎo)熱板2由同一種材質(zhì)的材料構(gòu)成，本實(shí)施例中的導(dǎo)熱板2為有機(jī)玻璃，也可以為石英玻璃，還可以為鋁板。本實(shí)施例的導(dǎo)熱版為階梯形，導(dǎo)熱版的左側(cè)面為平面，導(dǎo)熱版的右側(cè)面由下向上為階梯形狀，有3個(gè)臺(tái)階，分別為上臺(tái)階板、中臺(tái)階板、下臺(tái)階板，每個(gè)臺(tái)階板的高度相等且上表面與水平面平行，位于導(dǎo)熱板2下部的下臺(tái)階板的厚度最大，由下向上厚度遞減，上臺(tái)階板、中臺(tái)階板、下臺(tái)階板的厚度依次為1mm、4mm、7mm，導(dǎo)熱板2將水槽1分隔成兩個(gè)相互獨(dú)立的左水槽1-1和右水槽1-2。在水槽1的后側(cè)壁外底座3上放置有光屏4，光屏4用于成像。在水槽1的前側(cè)壁外底座3上放置有激光器支架5，激光器支架5上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有上半導(dǎo)體激光器6、中半導(dǎo)體激光器7、下半導(dǎo)體激光器8,3個(gè)半導(dǎo)體激光器輸出3條激光束，從左水槽1-1中透過(guò)水槽1的前側(cè)壁和后側(cè)壁，并緊貼導(dǎo)熱板2左側(cè)面處通過(guò)，投射在光屏4上，激光束平行于導(dǎo)熱板2左側(cè)面和水平面，上半導(dǎo)體激光器6、中半導(dǎo)體激光器7、下半導(dǎo)體激光器8輸出激光束的中軸線與導(dǎo)熱板2左側(cè)面的距離與該處激光束截面半徑的長(zhǎng)度相等。上半導(dǎo)體激光器6、中半導(dǎo)體激光器7、下半導(dǎo)體激光器8輸出的激光束分別位于上臺(tái)階板、中臺(tái)階板、下臺(tái)階板的水平中心平面內(nèi)，透過(guò)長(zhǎng)方體水槽1前側(cè)壁和后側(cè)壁的三束激光束投射在光屏4上，形成在一條垂直直線上的3個(gè)等距離的光點(diǎn)。

使用熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法的步驟如下：

(1)、在左水槽1-1中加滿自來(lái)水。半導(dǎo)體激光器通電，調(diào)整上半導(dǎo)體激光器6、中半導(dǎo)體激光器7和下半導(dǎo)體激光器8的位置，觀察自來(lái)水中激光束的徑跡，使激光束緊貼隔板，投射在光屏4上，在光屏4上標(biāo)示圖4所示的3個(gè)激光投射光點(diǎn)的位置。

(2)、在右水槽1-2中加入80～90℃的熱水，使熱水水面與左水槽1-1中自來(lái)水水面的高度相同，觀察光屏4上3個(gè)激光投射光點(diǎn)的形狀變化與移動(dòng)情況。

當(dāng)上半導(dǎo)體激光器6輸出的激光束在光屏4上的投射光點(diǎn)，首先向左水槽1-1方向水平移動(dòng)并擴(kuò)展為一字形光斑，說(shuō)明右水槽1-2中熱水的熱量已通過(guò)導(dǎo)熱板2的上臺(tái)階板首先傳導(dǎo)到上臺(tái)階板與自來(lái)水的界面上；隨后又依次看到中半導(dǎo)體激光器7輸出的激光束在光屏4上投射光點(diǎn)，向左水槽1-1方向水平移動(dòng)并擴(kuò)展為一字形光斑；再看到下半導(dǎo)體激光器8輸出的激光束在光屏4上投射光點(diǎn)，向左水槽1-1方向水平移動(dòng)并擴(kuò)展為一字形光斑。在光屏4上形成圖5所示的由上向下與水平面平行，且長(zhǎng)度依次遞減的三個(gè)一字形光斑。三個(gè)一字形光斑出現(xiàn)的先后次序和長(zhǎng)度相對(duì)大小，反映了在相同溫差下，熱阻對(duì)導(dǎo)熱速度的影響。即通過(guò)觀察光屏4上3個(gè)一字形光斑出現(xiàn)的先后次序和長(zhǎng)度的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)了熱阻與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化。

本發(fā)明的工作原理如下：

本發(fā)明通過(guò)在導(dǎo)熱板2兩側(cè)的左水槽1-1、右水槽1-2中充滿的不同溫度的水，在厚度不均勻的導(dǎo)熱板2兩側(cè)形成相同的溫差，以此觀測(cè)相同溫差、不同熱阻下的導(dǎo)熱過(guò)程。本裝置中導(dǎo)熱板2的面積固定，因此右水槽1-2中熱水通過(guò)導(dǎo)熱板2向左水槽1-1中自來(lái)水傳導(dǎo)熱量的快慢，就由導(dǎo)熱板2與自來(lái)水界面附近的溫度梯度大小決定。導(dǎo)熱板2與自來(lái)水界面附近出現(xiàn)溫度梯度，說(shuō)明右水槽1-2中熱水熱量通過(guò)導(dǎo)熱板2已傳導(dǎo)到自來(lái)水中。在導(dǎo)熱板2兩側(cè)的溫差相同的情況下，導(dǎo)熱板2上部的上臺(tái)階板厚度最小(熱阻最小)，上臺(tái)階板與自來(lái)水界面附近的自來(lái)水中的溫度梯度最大，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量最多，即傳熱速度就最快。反之亦然。

導(dǎo)熱板2與自來(lái)水界面附近水中的梯度溫度場(chǎng)，形成了相應(yīng)的梯度折射率場(chǎng)。溫度高處折射率小，溫度低處折射率大。由于光線在梯度折射率場(chǎng)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。激光束通過(guò)導(dǎo)熱板2與自來(lái)水界面附近水中的梯度溫度場(chǎng)時(shí)，就會(huì)向水溫較低的區(qū)域(左水槽1-1側(cè))方向偏折。由于導(dǎo)熱板2中上臺(tái)階板厚度最小，即熱阻最小，上臺(tái)階板的導(dǎo)熱速度最快，在上臺(tái)階板與自來(lái)水界面附近的水中形成的溫度場(chǎng)梯度最大，通過(guò)該處的上半導(dǎo)體激光器6輸出激光束的偏折最大。相應(yīng)的在同一時(shí)刻，由于導(dǎo)熱板2中，中臺(tái)階板、下臺(tái)階板的厚度依次增大，即熱阻依次增大，中臺(tái)階板、下臺(tái)階板與自來(lái)水界面附近的水中形成的溫度場(chǎng)的梯度依次減小，中半導(dǎo)體激光器7、下半導(dǎo)體激光器8輸出的激光束通過(guò)這一區(qū)域時(shí)的偏折角度也依次減小。在較短的傳輸距離內(nèi)，可以認(rèn)為激光束是由許多平行光線集合而成。在同一激光束中不同光線通過(guò)導(dǎo)熱板2與自來(lái)水界面附近的溫度梯度的大小不同，越靠近導(dǎo)熱板2，水中的溫度梯度越大，激光束中最靠近導(dǎo)熱板2處的光線向左水槽1-1方向偏折最大，激光束中離導(dǎo)熱板2距離最大的光線的偏折最小，即同一激光束中不同光線的偏折角大小不同，激光束在光屏4上的投射光點(diǎn)，就成為一字形光斑。因此，在右水槽1-2中加入熱水的熱量通過(guò)導(dǎo)熱板2傳導(dǎo)到左水槽1-1中自來(lái)水中后，通過(guò)觀察原來(lái)光屏4上的三個(gè)光點(diǎn)向左水槽1-1方向擴(kuò)展為一字形光斑的時(shí)間先后和一字形光斑長(zhǎng)度的相對(duì)大小，實(shí)現(xiàn)了熱阻大小與導(dǎo)熱速度關(guān)系的實(shí)時(shí)可視化。光屏4上的光點(diǎn)的擴(kuò)展方向直觀地顯示了熱傳遞的方向。