[发明专利]冰在水中消融过程光学观测实验装置与实验方法

说明书

技术领域

本发明属于教学演示仪器技术领域，具体涉及冰在水中消融过程的实验仪器。

背景技术

冰在水中的消融过程是一个热交换过程，期间要吸收大量热量，热量的主要来源是水中的热，因此冰的消融使水的温度降低。但冰在水中的消融过程既不同于冷水与热水混合后的热交换过程，也不同于有固定形状的低温物体浸入水中的吸热过程，尽管最终的结果都是达到热平衡，但从热力学角度出发，观察冰消融时冰水界面的热交换过程，研究冰在水中的消融方式，有益于学生科学思维能力的培养和物理思想的建立。另外，利用超声技术加快冰在水中的消融过程，是近年来的制冷与低温工程领域的研究热点，并已取得实效。然而由于冰与水都属于无色透明体，裸眼观察冰在水中的自然消融过程或者在超声作用下的快速消融过程，几乎没有可能。因此，研究一种观察冰在水中消融过程的可视化实验装置与冰在水中消融过程的光学观察方法，对热力学、制冷与低温工程的研究，加深学生对冰在水中消融过程物理本质的理解，具有重要的科学与技术意义。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种设计合理、结构简单、演示效果直观的冰在水中消融过程光学观测实验装置。

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供一种使用冰在水中消融过程光学观测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：在底座上设置有水槽支架，水槽支架上放置有水槽，水槽内装有水，水槽的底部外表面设置有超声换能器，水槽右侧底座上设置有光屏，水槽左侧底座上放置安装有半导体激光器的激光器支架，半导体激光器出射光的发散角为10°～20°的发散激光束从水槽左侧壁中部透过，通过水槽内冰水混合体，投射到光屏上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

本发明的水槽的几何形状为长方体，水槽的侧壁采用透明有机玻璃制成，水槽的底部为金属板设置在水槽的侧壁下端。

本发明的半导体激光器出射光的发散角最佳为15°的发散激光束从水槽左侧壁中部透过，通过水槽内冰水混合体，投射到光屏上，呈现出冰在水中消融过程的动态图像。

使用上述冰在水中消融过程光学观测实验装置的实验方法由以下步骤组成：

1)观察冰在室温状态水中自然消融过程

在水槽内加入水槽容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角为10°～20°的激光束透过水槽内的冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间；

2)观察超声强化冰块消融过程

按照步骤1)，在水槽内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器电源并开始计时，用发散角为10°～20°的发散激光束穿过水槽中冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。

3)比较步骤1)、2)中圆形光斑均匀性动态变化的快慢和冰块消融时间的差异。

在本发明的观察冰在室温状态水中自然消融过程步骤1)中，在水槽内加入水槽容积80％、25℃的自来水，水中放入一块200g无色透明冰块开始计时，用发散角最佳为15°的激光束透过水槽内的冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察从圆形光斑中冰水界面上亮带的出现、到水中不规则亮带的向下迁移、直至圆形光斑恢复均匀稳定的全过程，当圆形光斑恢复稳定均匀状态时终止计时，为冰块自然消融所用时间。

在本发明的观察超声强化冰块消融过程步骤2)中，按照步骤1)，在水槽内加入等量相同温度的自来水，并在水中加入相同质量的冰块，接通超声换能器电源并开始计时，用发散角最佳为15°的发散激光束穿过水槽中冰水混合体投射在光屏上，在光屏上观察圆形光斑均匀性的动态变化过程，当圆形光斑恢复均匀稳定状态时终止计时，为冰块在超声作用下的消融时间。