温差对热传递速度影响的实时可视化实验装置与演示方法

摘要

一种温差对热传递速度影响的实时可视化实验装置，在底座上设置有透明的水槽，水槽右侧壁的外表面上自上而下设置有上水箱、中水箱、下水箱，上水箱与中水箱之间、中水箱与下水箱之间设置有保温层，上水箱、中水箱、下水箱的右侧壁上分别设置有与3个水箱内相联通的注水管，水槽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，激光器支架上由上而下设置有上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器；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。

说明书

技术领域

本发明属于传热学实验装置技术领域，具体涉及到热传递速度的实验装设备。

背景技术

众所周知，介质传热速度由两个因素决定，一个是温度差，另一个热阻。在同一材料、相同导热厚度，即热阻相同的情况下，温度差越大，导热速度越快；相应的在温差相同的情况下，热阻越大，则导热速度越慢。这正是通过增大保温层6厚度，增强保温效果的原理所在。由于物体导热过程的不可视性，对于温差、热阻与导热速度关系的理解，在传热学教学过程中通常用电阻、电压、电流以及相互间的关系来类比，但由于材料的导电速度并不受电压、电阻大小的制约，因此这种简单的类比，往往会造成学生对二者物理本质的误解。温差与导热速度的关系，是传热学中的基本问题之一，实现温差与导热速度关系的实时可视化演示，在传热学的教学中具有重要意义，但目前还没有见到这类实验演示仪器。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种结构简单、演示直观、演示效果好的温差对热传递速度影响的实时可视化实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用温差对热传递速度影响的实时可视化实验装置的实验演示方法。

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，水槽右侧壁的外表面上自上而下设置有上水箱、中水箱、下水箱，上水箱与中水箱之间、中水箱与下水箱之间设置有保温层，上水箱、中水箱、下水箱的右侧壁上分别设置有与3个水箱内相联通的注水管，水槽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，激光器支架上由上而下设置有上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器，上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器输出的激光束从水槽内紧贴右侧壁处且与右侧壁和水平面平行通过，透过过水槽后侧壁投射在光屏上，形成由上向下在一条直线上三个等距离的光点。

本发明的上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器输出的激光束的中轴线与水槽右侧壁内表面的距离等于该处激光束截面半径长度，上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器输出的激光束距离水槽底面的高度，分别与对应的上水箱、中水箱、下水箱水平中心平面距离水槽底面的高度相同。

本发明的上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器输出的激光束位于底座的同一垂直平面内。

本发明的上水箱、中水箱、下水箱的容积相同。

本发明的试验方法由下述步骤组成：

(1)在水槽内加满自来水，接通上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器的电源，调整上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器的位置，观察自来水中激光束通过的径迹，使激光束紧贴水槽右侧壁内表面，投射在光屏上，在光屏上标示出三个激光投射光点的位置；

(2)在上水箱内加满80～90℃的热水、中水箱内加满50～60℃的热水，下水箱内加满30～40℃的热水，水槽右侧壁两侧与上水箱、中水箱、下水箱对应的不同高度段建立了不同温差，观察光屏上三个激光投射光点的形状变化，实现温差对导热速度影响的可视化动态显示。

本发明通过在装满自来水的水槽右侧壁外表面上不同高度处联接装满有不同温度热水的上水箱、中水箱、下水箱，在水槽右侧壁不同高度两侧形成不同温差。将反映不同温差下相同厚度玻璃导热速度的玻璃水槽1侧壁与自来水界面附近水中温度梯度的大小、方向，用通过玻璃水槽1侧壁与自来水界面附近水中的激光束偏折角的大小、偏折方向来显现。激光束偏折角的大小、偏折方向又通过光屏上激光投射光点的扩展方向以及扩展的“一字形”光斑长度的相对大小来显现，以此实现了在不同温差下，相同导热体导热速度差异的实时可视化。

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

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的左视图。

图4是实施例1中三个激光投射光点的照片。

图5是实施例1中上半导体激光器10输出激光束在光屏8上的投射光点首先扩展为一字形光斑的照片。

图6是实施例1中由上向下长度递减并与水平面平行的三个一字形光斑照片。

具体实施方式

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。

实施例1

在图1、2、3中，本实施例的温差对热传递速度影响的实时可视化实验装置由水槽1、上水箱2、注水管3、中水箱4、下水箱5、保温层6、底座7、光屏8、激光器支架9、上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12联接构成。

在底座7上放置有水槽1，本实施例的水槽1为透明玻璃水槽，在水槽1右侧壁的外表面上用胶自上而下粘接联接有上水箱2、中水箱4、下水箱5，上水箱2、中水箱4、下水箱5的容积相同，上水箱2与中水箱4之间安装有保温层6，中水箱4与下水箱5之间安装有保温层6，上水箱2、中水箱4、下水箱5的右侧壁上分别安装有注水管3，3个注水管3分别与上水箱2、中水箱4、下水箱5内相联通，水从注水管3分别加入到上水箱2、中水箱4、下水箱5内。

在水槽1的后侧壁外底座7上放置有光屏8，光屏8用于成像。在水槽1的前侧壁外底座7上放置有激光器支架9，激光器支架9上由上而下用螺纹紧固联接件固定联接安装有上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12，上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束位于底座7的同一垂直平面内，上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束，从水槽1内紧贴右侧壁处且与右侧壁和水平面平行通过，上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束的中轴线与玻璃水槽1右侧壁内表面的距离等于该处激光束截面半径长度。上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束距离玻璃水槽1底面的高度，分别与对应的上水箱2、中水箱4、下水箱5水平中心平面距离水槽1底面的高度相同。通过水槽1前后侧壁的上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束投射在光屏8上，形成由上向下在一条直线上三个等距离的光点。

使用上述热阻与导热速度关系的实时可视化实验装置的实验方法步骤如下：

1、在水槽1内加满自来水，接通上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12的电源，调整上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12的位置，观察自来水中激光束通过的径迹，使激光束紧贴水槽1右侧壁内表面，投射在光屏8上，在光屏8上标示图4所示的三个激光投射光点的位置。

2、在上水箱2内加满80～90℃的热水、中水箱4内加满50～60℃的热水，下水箱5内加满30～40℃的热水，水槽1右侧壁两侧与上水箱2、中水箱4、下水箱5对应的不同高度段建立了不同温差，观察光屏8上三个激光投射光点出现如图5所示的形状变化。

当光屏8的投射光点先出现如图5所示的变化，即上半导体激光器10输出激光束在光屏8上的投射光点，向玻璃水槽1方向水平移动并扩展为一字形光斑，说明上水箱2中热水的热量已传导到水槽1右侧壁与自来水的界面上；依次看到中半导体激光器11输出的激光束在光屏8上投射光点，向水槽1方向水平移动并扩展为一字形光斑；下半导体激光器输出的激光束在光屏8上投射光点，向水槽1方向水平移动并扩展为一字形光斑。在光屏8上形成图6所示的由上向下长度递减、与水平面平行的三个一字形光斑。三个一字形光斑出现的先后次序和长度大小，反映了在厚度均匀的水槽1右侧壁两侧，温差对玻璃导热速度的影响。通过观察3个一字形光斑出现的先后次序和长度大小，实现了温差对导热速度影响的实时可视化动态显示。

本发明的工作原理如下：

本发明通过在装满自来水的水槽1右侧壁外表面上不同高度处联接装满有不同温度热水的上水箱2、中水箱4、下水箱5，在水槽1右侧壁不同高度两侧形成不同温差，以此观测相同热阻、不同温差下介质导热速度的差异。由于本装置中上水箱2、中水箱4、下水箱5的与水槽1共用壁的面积固定，因此上水箱2、中水箱4、下水箱5中热水通过水槽1右侧壁向水槽1内自来水传导热量的快慢，由与上水箱2、中水箱4、下水箱5相联的玻璃水槽1右侧壁与自来水界面附近的温度梯度大小决定。水槽1右侧壁与自来水界面附近出现温度梯度，说明上水箱2、中水箱4、下水箱5中热水热量通过水槽1右侧壁已传导到自来水中。在水槽1右侧壁厚度均匀的情况下，水槽1右侧壁两侧的温差越大，水槽1右侧壁与自来水界面附近水的温度梯度就最大，单位时间传导的热量最多，即传热速度最快。反之亦然。

水槽1右侧壁与自来水界面附近水的温度梯度场，形成了相应的梯度折射率场。水温高处折射率小，水温低处折射率大。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。因此，通过水槽1右侧壁与自来水界面附近水中的梯度温度场时，就会向水温较低的自来水区域方向偏折。

由于与上水箱2相联的水槽1右侧壁上部两侧的温差最大，在水槽1右侧壁上部与自来水界面附近的水中形成的温度场梯度最大，水槽1右侧壁上部的导热速度最快，相应通过该处上半导体激光器10输出激光束的偏折最大。在同一时刻，与中水箱4、下水箱5的相联的玻璃水槽1右侧壁中部、下部两侧的温差依次减小，水槽1右侧壁中部和下部与自来水界面附近水中形成的温度场梯度也依次减小，通过相应位置的中半导体激光器11、下半导体激光器12输出激光束的偏折角也就依次减小。

可以认为激光束由许多平行的光线集合而成，同一激光束中不同光线通过水槽1右侧壁与自来水界面附近的温度梯度不同，越靠近水槽1右侧壁水中的温度梯度越大，激光束中最靠近水槽1右侧壁处的光线向左偏折最大，离水槽1右侧壁距离最大的光线偏折最小，使得原先光屏8上的光点，扩展为一字形光斑。在上水箱2、中水箱4、下水箱5中加入不同温度的热水后，热水热量通过与上水箱2、中水箱4、下水箱5对应的不同高度段的水槽1右侧壁传导到玻璃水槽1内的自来水，通过相应高度的上半导体激光器10、中半导体激光器11、下半导体激光器12输出的激光束在光屏8上的投射光点，先后扩展为一字形光斑，通过观察原来光屏8上的三个光点向左扩展为一字形光斑的时间先后和长度大小，实现了相同热阻、不同温差大小下导热速度差异的实时动态显示，光屏8上的光点的扩展方向即为热传递的方向。