本發(fā)明屬于傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到傳熱過程中光學(xué)演示裝置。

背景技術(shù)：

導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，定量描述了材料導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法與儀器很多，但基本都是定量測量儀器，且儀器成本很高、構(gòu)成復(fù)雜，需要專業(yè)人員操作。材料導(dǎo)熱系數(shù)是一個比較抽象的概念，對于相同導(dǎo)熱厚度，又處于相同溫差下的不同材料，它又反映了其導(dǎo)熱速度的快慢，導(dǎo)熱系數(shù)越小，其導(dǎo)熱速度越低，也就是絕熱性能越好；導(dǎo)熱系數(shù)越大，則導(dǎo)熱速度越快。如果能同步、快速、直觀的比較多種不同材料導(dǎo)熱性能的差異，將更有益于學(xué)生對導(dǎo)熱系數(shù)物理本質(zhì)的理解。但目前沒有見到面向?qū)W生的成本低、方法簡單、效果直觀的同步觀察不同材料導(dǎo)熱性能差異的實(shí)驗(yàn)演示裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種材料導(dǎo)熱性能差異的光學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)裝置。

本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題在于提供一種使用材料導(dǎo)熱性能差異的光學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法。

解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：在底座上設(shè)置有透明的水槽，水槽長度方向中部的前后側(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)熱板由不同導(dǎo)熱系數(shù)的平板狀材料由下而上相互粘結(jié)構(gòu)成，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)置有半導(dǎo)體激光器、鮑威爾棱鏡和菲涅耳透鏡，半導(dǎo)體激光器輸出的激光束依次透過鮑威爾棱鏡和菲涅耳透鏡，形成的激光矩形片光從左水槽中透過水槽的前后側(cè)壁、緊貼導(dǎo)熱板處通過，投射在光屏上，形成一條垂直光帶。

本發(fā)明的的激光矩形片光的豎直中心平面平行于導(dǎo)熱板，激光矩形片光的豎直中心平面與導(dǎo)熱板的距離為此處激光矩形片光厚度的一半。

本發(fā)明的導(dǎo)熱板由相同厚度、相同寬度、相同高度的紫銅板、石英玻璃板、有機(jī)玻璃由上而下粘結(jié)構(gòu)成，導(dǎo)熱板的厚度為3～6mm。

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

(1)、在左水槽中加入自來水，接通半導(dǎo)體激光器的電源，調(diào)整半導(dǎo)體激光器、鮑威爾棱鏡、菲涅耳透鏡的位置，觀察自來水中激光矩形片光的徑跡，使激光矩形片光緊貼導(dǎo)熱板，投射在光屏上，在光屏上標(biāo)示垂直光帶的位置；

(2)、在右水槽中加入80～90℃的熱水，使熱水水面與左水槽中自來水水面的高度相同，觀察光屏上垂直光帶的形狀變化與移動情況，通過觀察光屏上的上、中、下三段垂直光帶離開原先位置的先后次序和距離大小，實(shí)現(xiàn)相同溫差下，相同厚度、不同導(dǎo)熱系數(shù)的紫銅板、石英玻璃板、有機(jī)玻璃板的導(dǎo)熱性能差異的實(shí)時可視化。

本發(fā)明通過導(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，將反映導(dǎo)熱板中紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板不同導(dǎo)熱性能的紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板與自來水界面附近水中的溫度梯度的大小、方向及變化過程，用通過導(dǎo)熱板中紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板與自來水界面附近水中的激光矩形片光中不同光線的不同大小的偏折角、偏折方向及變化規(guī)律來顯現(xiàn)。激光矩形片光中不同光線不同大小的偏折角、偏折方向，又通過光屏上激光矩形片光投射的垂直光帶分段離開原先位置的先后次序和距離的相對大小，實(shí)現(xiàn)了在相同溫差下，不同材料導(dǎo)熱特性的實(shí)時可視化動態(tài)顯示。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、攜帶方便，現(xiàn)象明顯，非常適合傳熱學(xué)教學(xué)的課堂演示。

附圖說明

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是實(shí)施例1中垂直光帶照片

圖4是實(shí)施例1中垂直光帶上部向左移動照片

圖5是實(shí)施例1中垂直光帶變?yōu)樯?、中、下三段垂直光帶的照片?/p>

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(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。

實(shí)施例1

在圖1、2中，本實(shí)施例的材料導(dǎo)熱性能差異的光學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)裝置由底座1、水槽2、導(dǎo)熱板3、光屏4、激光器支架5、半導(dǎo)體激光器6、鮑威爾棱鏡7、菲涅耳透鏡8聯(lián)接構(gòu)成。

在底座1上放置有水槽2，本實(shí)施例的水槽2為長方體透明水槽2，在水槽2長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3，導(dǎo)熱板3與水槽2的前后側(cè)壁垂直。本實(shí)施例的導(dǎo)熱板3由相同厚度、相同寬度、相同高度的紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板由上至下相互粘結(jié)構(gòu)成，導(dǎo)熱板3的厚度為3～6mm，導(dǎo)熱板3將水槽2分隔成兩個相互獨(dú)立的左水槽2-1和右水槽2-2。在水槽2的后側(cè)壁外底座1上放置有光屏4，光屏4用于成像。在水槽2的前側(cè)壁外底座1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)接安裝有半導(dǎo)體激光器6、鮑威爾棱鏡7和菲涅耳透鏡8，半導(dǎo)體激光器6輸出的激光束依次透過鮑威爾棱鏡7和菲涅耳透鏡8后，形成激光矩形片光，激光矩形片光從左水槽2-1中透過水槽2的前后側(cè)壁、并緊貼導(dǎo)熱板3處通過，投射在光屏4上，形成一條垂直光帶。激光矩形片光的豎直中心平面平行于導(dǎo)熱板3，激光矩形片光的豎直中心平面與導(dǎo)熱板3的距離為此處激光矩形片光厚度的一半。

使用材料導(dǎo)熱性能差異的光學(xué)觀測裝置的實(shí)驗(yàn)方法如下：

1、在左水槽2-1中加入自來水，接通半導(dǎo)體激光器6的電源，調(diào)整半導(dǎo)體激光器6、鮑威爾棱鏡7、菲涅耳透鏡8的位置，觀察自來水中激光矩形片光的徑跡，使激光矩形片光緊貼導(dǎo)熱板3，投射在光屏4上，在光屏4上標(biāo)示圖3所示的垂直光帶的位置。

2、在右水槽2-2中加入溫度80～90℃的熱水，使熱水水面與左水槽2-1中自來水水面的高度相同，觀察光屏4上垂直光帶的形狀變化與移動情況。

當(dāng)光屏4上垂直光帶出現(xiàn)如圖4所示的變化，即光屏4上垂直光帶的上部段首先向左水槽2-1方向水平移動，說明在導(dǎo)熱板3兩側(cè)溫差相同的情況下，右水槽2-2中熱水的熱量首先通過導(dǎo)熱板3上部的紫銅板傳導(dǎo)到自來水中，隨后又依次看到光屏4上垂直光帶的中部段和下部段也先后向左水槽2-1方向水平移動，形成圖5所示的離開原先的垂直光帶位置不同距離的上、中、下三段垂直光帶。上、中、下三段垂直光帶離開原先位置的先后次序和距離大小，反映了在導(dǎo)熱板3開始導(dǎo)熱時，相同溫差下，相同厚度、不同導(dǎo)熱系數(shù)的紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板的導(dǎo)熱快慢，即實(shí)現(xiàn)了紫銅板、石英玻璃板和有機(jī)玻璃板導(dǎo)熱性能差異的實(shí)時可視化。

本發(fā)明的工作原理如下：

本發(fā)明通過在導(dǎo)熱板3兩側(cè)的左、右水槽2-2中充滿的不同溫度的水，在導(dǎo)熱板3兩側(cè)形成建立相同的溫差，以此觀測相同溫差、相同厚度、不同導(dǎo)熱性能材料的導(dǎo)熱過程。由于本裝置中導(dǎo)熱板3的面積是固定的，因此右水槽2-2中熱水通過導(dǎo)熱板3傳遞到左水槽2-1自來水中熱量的快慢，是由導(dǎo)熱板3的導(dǎo)熱性能決定的。而導(dǎo)熱板3的導(dǎo)熱性能，在導(dǎo)熱過程中體現(xiàn)為導(dǎo)熱板3與自來水界面附近的溫度梯度大小。導(dǎo)熱板3與自來水界面附近出現(xiàn)溫度梯度，說明右水槽2-2中熱水熱量通過導(dǎo)熱板3已傳導(dǎo)到自來水中。在導(dǎo)熱板3兩側(cè)溫差相同的情況下，導(dǎo)熱板3中紫銅板的導(dǎo)熱性能最好，在同一時刻，位于導(dǎo)熱板3上部的紫銅板與自來水界面附近水中的溫度梯度就最大，單位時間傳導(dǎo)的熱量就最多，即傳熱速度就最快。反之亦然。

導(dǎo)熱板3與自來水界面附近水中的梯度溫度場，同時形成了相應(yīng)的梯度折射率場，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中傳輸時向折射率大的區(qū)域偏折，折射率梯度越大，光線的偏折角度越大，即光線的彎曲度越大。因此，光線通過導(dǎo)熱板3與自來水界面附近水中的梯度溫度場時，就會向水溫較低的區(qū)域(左水槽2-1側(cè))偏折。在導(dǎo)熱板3中紫銅板的導(dǎo)熱性能最好，即紫銅板的導(dǎo)熱速度最快，在紫銅板與自來水界面附近的水中形成的溫度場的梯度最大，激光矩形片光中通過該處的光線的偏折角就最大。相應(yīng)的在同一時刻，由于導(dǎo)熱板3中石英玻璃、有機(jī)玻璃的導(dǎo)熱性能依次變差，石英玻璃、有機(jī)玻璃與自來水界面附近的水中形成的溫度場的梯度也依次減小，激光矩形片光中通過該處的光線的偏折角就相應(yīng)的依次減小。在光屏4上就顯示出原先的一條垂直光帶被分成不連續(xù)三個垂直光帶段。與紫銅板相對應(yīng)的垂直光帶段離開原位的距離最大，與有機(jī)玻璃板相對應(yīng)的垂直光帶段離開原位的距離最小。上述過程說明，在右水槽2-2中加入熱水后的一段時間內(nèi)，通過觀察光屏4上原來的一條垂直光帶被分成三個垂直光帶段的時間先后、離開原位距離的相對大小，實(shí)現(xiàn)了不同材料導(dǎo)熱特性差異的實(shí)時可視化演示。