冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置與實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于教學演示儀器技術領域，具體涉及冰在水中消融過程的實驗儀器。
【背景技術】
[0002]冰在水中的消融過程是一個熱交換過程，期間要吸收大量熱量，熱量的主要來源是水中的熱，因此冰的消融使水的溫度降低。但冰在水中的消融過程既不同于冷水與熱水混合后的熱交換過程，也不同于有固定形狀的低溫物體浸入水中的吸熱過程，盡管最終的結果都是達到熱平衡，但從熱力學角度出發(fā)，觀察冰消融時冰水界面的熱交換過程，研宄冰在水中的消融方式，有益于學生科學思維能力的培養(yǎng)和物理思想的建立。另外，利用超聲技術加快冰在水中的消融過程，是近年來的制冷與低溫工程領域的研宄熱點，并已取得實效。然而由于冰與水都屬于無色透明體，裸眼觀察冰在水中的自然消融過程或者在超聲作用下的快速消融過程，幾乎沒有可能。因此，研宄一種觀察冰在水中消融過程的可視化實驗裝置與冰在水中消融過程的光學觀察方法，對熱力學、制冷與低溫工程的研宄，加深學生對冰在水中消融過程物理本質的理解，具有重要的科學與技術意義。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的一個技術問題在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種設計合理、結構簡單、演示效果直觀的冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置。
[0004]本發(fā)明所要解決的另一個技術問題在于提供一種使用冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置的實驗方法。
[0005]解決上述技術問題所采用的技術方案是:在底座上設置有水槽支架，水槽支架上放置有水槽，水槽內裝有水，水槽的底部外表面設置有超聲換能器，水槽右側底座上設置有光屏，水槽左側底座上放置安裝有半導體激光器的激光器支架，半導體激光器出射光的發(fā)散角為10°?20°的發(fā)散激光束從水槽左側壁中部透過，通過水槽內冰水混合體，投射到光屏上，呈現(xiàn)出冰在水中消融過程的動態(tài)圖像。
[0006]本發(fā)明的水槽的幾何形狀為長方體，水槽的側壁采用透明有機玻璃制成，水槽的底部為金屬板設置在水槽的側壁下端。
[0007]本發(fā)明的半導體激光器出射光的發(fā)散角最佳為15°的發(fā)散激光束從水槽左側壁中部透過，通過水槽內冰水混合體，投射到光屏上，呈現(xiàn)出冰在水中消融過程的動態(tài)圖像。
[0008]使用上述冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置的實驗方法由以下步驟組成:
[0009]I)觀察冰在室溫狀態(tài)水中自然消融過程
[0010]在水槽內加入水槽容積80%、25°C的自來水，水中放入一塊200g無色透明冰塊開始計時，用發(fā)散角為10°?20°的激光束透過水槽內的冰水混合體投射在光屏上，在光屏上觀察從圓形光斑中冰水界面上亮帶的出現(xiàn)、到水中不規(guī)則亮帶的向下迀移、直至圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定的全過程，當圓形光斑恢復穩(wěn)定均勻狀態(tài)時終止計時，為冰塊自然消融所用時間；
[0011]2)觀察超聲強化冰塊消融過程
[0012]按照步驟I)，在水槽內加入等量相同溫度的自來水，并在水中加入相同質量的冰塊，接通超聲換能器電源并開始計時，用發(fā)散角為10°?20°的發(fā)散激光束穿過水槽中冰水混合體投射在光屏上，在光屏上觀察圓形光斑均勻性的動態(tài)變化過程，當圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定狀態(tài)時終止計時，為冰塊在超聲作用下的消融時間。
[0013]3)比較步驟I)、2)中圓形光斑均勻性動態(tài)變化的快慢和冰塊消融時間的差異。
[0014]在本發(fā)明的觀察冰在室溫狀態(tài)水中自然消融過程步驟I)中，在水槽內加入水槽容積80%、25°C的自來水，水中放入一塊200g無色透明冰塊開始計時，用發(fā)散角最佳為15°的激光束透過水槽內的冰水混合體投射在光屏上，在光屏上觀察從圓形光斑中冰水界面上亮帶的出現(xiàn)、到水中不規(guī)則亮帶的向下迀移、直至圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定的全過程，當圓形光斑恢復穩(wěn)定均勻狀態(tài)時終止計時，為冰塊自然消融所用時間。
[0015]在本發(fā)明的觀察超聲強化冰塊消融過程步驟2)中，按照步驟I)，在水槽內加入等量相同溫度的自來水，并在水中加入相同質量的冰塊，接通超聲換能器電源并開始計時，用發(fā)散角最佳為15°的發(fā)散激光束穿過水槽中冰水混合體投射在光屏上，在光屏上觀察圓形光斑均勻性的動態(tài)變化過程，當圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定狀態(tài)時終止計時，為冰塊在超聲作用下的消融時間。
[0016]本發(fā)明采用冰塊在水槽內自然消融和超聲強化消融過程中冰水界面上梯度變化的折射率，對透過的發(fā)散激光束折射、會聚或發(fā)散作用，使得投射在光屏上的圓形光斑均勻性出現(xiàn)動態(tài)變化，實時呈現(xiàn)水體中溫度的非均勻分布及動態(tài)變化過程，實現(xiàn)了水槽內冰塊消融過程的動態(tài)實時觀察和消融時間測量。同時發(fā)散的激光束，透過水槽內的冰水體系，投射在光屏上形成更大的圓形光斑，圓形光斑放大了激光束透過區(qū)域冰水界面和冰消融產生的冷水向下迀移的動態(tài)圖景，使冰消融過程的觀測更清晰。本發(fā)明結構簡單、方法簡便直觀，實現(xiàn)了冰消融過程的動態(tài)顯示，可作為熱力學、工程物理等的研宄與教學實驗儀器。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例1的主視圖。
[0018]圖2是水中冰塊消融過程中圓形光斑照片。
[0019]圖3是冰完全消融后的圓形光斑照片。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步詳細說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。
[0021]實施例1
[0022]在圖1中，本實施例的冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置由半導體激光器1、水槽2、光屏3、底座4、水槽支架5、超聲換能器6、激光器支架7聯(lián)接構成。
[0023]在底座4上用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接有水槽支架5，水槽支架5上放置有水槽2，水槽2的幾何形狀為長方體，水槽2的側壁采用有機玻璃制成，也可采用石英玻璃制成，水槽2的底部為金屬板，用膠與水槽2的側壁下端固定聯(lián)接，水槽2內裝有水，在做冰在水中消融實驗時，將冰塊放置在水槽2內。在水槽2的底部外表面用螺紋緊固聯(lián)接件固定聯(lián)接安裝有超聲換能器6，超聲換能器6用于產生超聲波，超聲換能器6產生的超聲波透過水槽2的底板進入水中。在水槽2右側底座4上安裝有光屏3，光屏3用于呈現(xiàn)冰在水中消融過程的光學圖像。在水槽2左側底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安裝有半導體激光器1，半導體激光器I可在半導體激光器I支架上轉動，半導體激光器I用于產生激光，半導體激光器I出射光的發(fā)散角為15°，發(fā)散激光束從水槽2左側壁的中部透過，通過水槽2內冰水混合體，投射在光屏3上，在光屏3上呈現(xiàn)出冰在水中消融過程的動態(tài)圖像。
[0024]使用上述冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置的實驗方法步驟如下:
[0025]1、觀察冰在室溫狀態(tài)水中自然消融過程
[0026]在水槽2內加入水槽2容積80 %、25 °C的自來水，在水中放入一塊200g無色透明冰塊并開始計時，同時用發(fā)散角為15°的激光束透過水槽2內的冰水混合體投射在光屏3上，在光屏3上觀察從圓形光斑中冰水界面上亮帶的出現(xiàn)、到水中不規(guī)則亮帶的向下迀移、直至圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定的全過程，當圓形光斑恢復穩(wěn)定均勻狀態(tài)時終止計時，為冰塊自然消融所用時間。冰塊消融過程中的圓形光斑如圖2所示，冰塊完全消融時圓形光斑如圖3所示。比較圖2、圖3可見，冰塊在消融過程中和消融完成時圓形光斑的均勻性有顯著變化。由圖2可見，圓形光斑中出現(xiàn)網狀亮線，說明冰塊消融過程中水槽2內水溫分布不均勻，由圖3說明，發(fā)散激光束中所有光線透過水體時都直線傳輸，冰塊完全消融，水槽2內水溫達到均勻。通過觀察圖2到圖3的變化過程，實現(xiàn)了冰消融過程的光學觀測。
[0027]2、觀察超聲強化冰塊消融過程
[0028]按照步驟2，在水槽2內加入等量相同溫度的自來水，并在水中加入相同質量的冰塊，接通超聲換能器6電源并開始計時，用發(fā)散角為15°的發(fā)散激光束穿過水槽2中冰水混合體投射在光屏3上，在光屏3上觀察圓形光斑均勻性的動態(tài)變化過程，當圓形光斑恢復均勻穩(wěn)定狀態(tài)時終止計時，為冰塊在超聲作用下的消融時間。
[0029]3、比較步驟1、2中圓形光斑均勻性動態(tài)變化的快慢和冰塊消融時間的差異。
[0030]實施例2
[0031 ] 在水槽2左側底座4上放置有激光器支架7，激光器支架7上安裝有半導體激光器1，半導體激光器I可在半導體激光器I支架上轉動，半導體激光器I用于產生激光，半導體激光器I出射光的發(fā)散角為10°，發(fā)散激光束從水槽2左側壁的中部透過，通過水槽2內冰水混合體，投射在光屏3上，在光屏3上呈現(xiàn)出冰在水中消融過程的動態(tài)圖像。其它零部件以及零部件的聯(lián)接關系與實施例1相同。
[0032]使用本實施例冰在水中消融過程光學觀測實驗裝置的實驗方法步驟如下:
[0033]1、觀察冰在室溫狀態(tài)水中自然消融過程