热阻与导热速度关系的实时可视化实验装置及实验方法与流程

本发明属于热学实验仪器技术领域，具体涉及到传热的实验装置。

背景技术：

物体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、相同导热长度，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，通过增大保温层厚度，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、电流及相互间的关系来类比，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。热阻与导热速度的关系，是传热学的基本问题之一，实现热阻与导热速度关系的实时可视化动态显示，不仅能使传统的理论教学更加形象生动，而且更容易激发学生的学习兴趣，在课堂互动中培养了学生观察、分析和思维能力，这是提高传热学教学效果的有效手段，在热学教学中，目前还没有见到这类实验教学演示仪器。

技术实现要素：

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种演示直观、演示效果好的热阻与导热速度关系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热阻与导热速度关系的实时可视化实验装置的实验方法。

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，水槽长度方向中部的前侧壁和后侧壁上设置有一块将水槽分隔成左水槽和右水槽的导热板，导热板的左侧面为平面，导热板的右侧面至上而下为上台阶板、中台阶板下台阶板，在水槽的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，激光器支架上设置有上半导体激光器、中半导体激光器、下半导体激光器，3个半导体激光器输出3条激光束从左水槽中紧贴导热板左侧面处且与左侧面和水平面平行通过，3个半导体激光器输出3条激光束中轴线分别位于上台阶板、中台阶板、下台阶板的水平中心平面内，透过水槽前后侧壁的三束激光束投射在光屏上，形成在一条垂直直线上的3个等距离光点。

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激光束的中轴线与导热板左侧面的距离与该处激光束截面半径长度相等。

本发明的上台阶板、中台阶板、下台阶板的高度相等，上表面与水平面平行。

本发明的上台阶板的厚度为1mm、中台阶板的厚度为4mm、下台阶板的厚度为7mm。

本发明的导热板为有机玻璃或石英玻璃或铝板。

使用上述实验装置的试验方法，其特征在于它是由下述步骤组成：

(1)、在左水槽中加满自来水，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的径迹，使激光束紧贴导热板，投射在光屏上，在光屏上标示3个激光投射光点的位置；

(2)、在右水槽中加入温度80～90℃的热水，使热水水面与左水槽中自来水水面的高度相同，观察光屏4上3个激光投射光点的形状变化与移动情况,通过观察光屏4上3个一字形光斑出现的先后次序和长度的相对大小，实现热阻与导热速度关系的实时可视化。

本发明通过导热板两侧设置不同温度的水，在导热板两侧建立温差，将反映不同厚度台阶板导热过程的台阶板与自来水界面附近水中温度梯度的大小、方向及变化过程，利用通过不同厚度台阶板与自来水界面附近水中的激光束的偏折角的大小、偏折方向及变化规律来显现。激光束偏折角的大小、偏折方向及变化规律，又通过光屏上激光束投射光点的形状、扩展方向以及扩展的一字形光斑长度的相对大小，实现了在相同温差下，不同热阻(不同厚度台阶板)的导热速度的实时动态显示。

本发明具有结构简单、成本低、携带方便，现象明显，适用于传热学教学的课堂演示实验。

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中长度依次递减的三个一字形光斑的照片

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，本实施例的热阻与导热速度关系的实时可视化实验装置由水槽1、导热板2、底座3、光屏4、激光器支架5、上半导体激光器6、中半导体激光器7、下半导体激光器8联接构成。

在底座3上放置有水槽1，本实施例的水槽1为长方体透明的水槽1，在水槽1长度方向中部的前后侧壁上用胶密封粘结有一块导热板2，导热板2由同一种材质的材料构成，本实施例中的导热板2为有机玻璃，也可以为石英玻璃，还可以为铝板。本实施例的导热版为阶梯形，导热版的左侧面为平面，导热版的右侧面由下向上为阶梯形状，有3个台阶，分别为上台阶板、中台阶板、下台阶板，每个台阶板的高度相等且上表面与水平面平行，位于导热板2下部的下台阶板的厚度最大，由下向上厚度递减，上台阶板、中台阶板、下台阶板的厚度依次为1mm、4mm、7mm，导热板2将水槽1分隔成两个相互独立的左水槽1-1和右水槽1-2。在水槽1的后侧壁外底座3上放置有光屏4，光屏4用于成像。在水槽1的前侧壁外底座3上放置有激光器支架5，激光器支架5上用螺纹紧固联接件固定联接安装有上半导体激光器6、中半导体激光器7、下半导体激光器8,3个半导体激光器输出3条激光束，从左水槽1-1中透过水槽1的前侧壁和后侧壁，并紧贴导热板2左侧面处通过，投射在光屏4上，激光束平行于导热板2左侧面和水平面，上半导体激光器6、中半导体激光器7、下半导体激光器8输出激光束的中轴线与导热板2左侧面的距离与该处激光束截面半径的长度相等。上半导体激光器6、中半导体激光器7、下半导体激光器8输出的激光束分别位于上台阶板、中台阶板、下台阶板的水平中心平面内，透过长方体水槽1前侧壁和后侧壁的三束激光束投射在光屏4上，形成在一条垂直直线上的3个等距离的光点。

使用热阻与导热速度关系的实时可视化实验装置的实验方法的步骤如下：

(1)、在左水槽1-1中加满自来水。半导体激光器通电，调整上半导体激光器6、中半导体激光器7和下半导体激光器8的位置，观察自来水中激光束的径迹，使激光束紧贴隔板，投射在光屏4上，在光屏4上标示图4所示的3个激光投射光点的位置。

(2)、在右水槽1-2中加入80～90℃的热水，使热水水面与左水槽1-1中自来水水面的高度相同，观察光屏4上3个激光投射光点的形状变化与移动情况。

当上半导体激光器6输出的激光束在光屏4上的投射光点，首先向左水槽1-1方向水平移动并扩展为一字形光斑，说明右水槽1-2中热水的热量已通过导热板2的上台阶板首先传导到上台阶板与自来水的界面上；随后又依次看到中半导体激光器7输出的激光束在光屏4上投射光点，向左水槽1-1方向水平移动并扩展为一字形光斑；再看到下半导体激光器8输出的激光束在光屏4上投射光点，向左水槽1-1方向水平移动并扩展为一字形光斑。在光屏4上形成图5所示的由上向下与水平面平行，且长度依次递减的三个一字形光斑。三个一字形光斑出现的先后次序和长度相对大小，反映了在相同温差下，热阻对导热速度的影响。即通过观察光屏4上3个一字形光斑出现的先后次序和长度的相对大小，实现了热阻与导热速度关系的实时可视化。

本发明的工作原理如下：

本发明通过在导热板2两侧的左水槽1-1、右水槽1-2中充满的不同温度的水，在厚度不均匀的导热板2两侧形成相同的温差，以此观测相同温差、不同热阻下的导热过程。本装置中导热板2的面积固定，因此右水槽1-2中热水通过导热板2向左水槽1-1中自来水传导热量的快慢，就由导热板2与自来水界面附近的温度梯度大小决定。导热板2与自来水界面附近出现温度梯度，说明右水槽1-2中热水热量通过导热板2已传导到自来水中。在导热板2两侧的温差相同的情况下，导热板2上部的上台阶板厚度最小(热阻最小)，上台阶板与自来水界面附近的自来水中的温度梯度最大，单位时间传导的热量最多，即传热速度就最快。反之亦然。

导热板2与自来水界面附近水中的梯度温度场，形成了相应的梯度折射率场。温度高处折射率小，温度低处折射率大。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。激光束通过导热板2与自来水界面附近水中的梯度温度场时，就会向水温较低的区域(左水槽1-1侧)方向偏折。由于导热板2中上台阶板厚度最小，即热阻最小，上台阶板的导热速度最快，在上台阶板与自来水界面附近的水中形成的温度场梯度最大，通过该处的上半导体激光器6输出激光束的偏折最大。相应的在同一时刻，由于导热板2中，中台阶板、下台阶板的厚度依次增大，即热阻依次增大，中台阶板、下台阶板与自来水界面附近的水中形成的温度场的梯度依次减小，中半导体激光器7、下半导体激光器8输出的激光束通过这一区域时的偏折角度也依次减小。在较短的传输距离内，可以认为激光束是由许多平行光线集合而成。在同一激光束中不同光线通过导热板2与自来水界面附近的温度梯度的大小不同，越靠近导热板2，水中的温度梯度越大，激光束中最靠近导热板2处的光线向左水槽1-1方向偏折最大，激光束中离导热板2距离最大的光线的偏折最小，即同一激光束中不同光线的偏折角大小不同，激光束在光屏4上的投射光点，就成为一字形光斑。因此，在右水槽1-2中加入热水的热量通过导热板2传导到左水槽1-1中自来水中后，通过观察原来光屏4上的三个光点向左水槽1-1方向扩展为一字形光斑的时间先后和一字形光斑长度的相对大小，实现了热阻大小与导热速度关系的实时可视化。光屏4上的光点的扩展方向直观地显示了热传递的方向。