[发明专利]一种开放式动态金属热导率实验仪

说明书

本发明涉及一种大学物理热学实验方面的教学实验仪器，尤其是一种开放式动态金属热导率实验仪。该仪器把被测金属杆和高温热源、低温热源等都置于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以方便地进行拆卸和替换。在被测金属杆侧面包裹有隔热套管，在此金属杆上从靠近高温热源一侧的某一位置开始沿金属杆长度方向钻有多个测温小孔，这些测温小孔间距要求适当靠拢，对测温孔的数量和间距是否相等可不限，但须偏向高温热温一边，测温孔的分布范围一般不超过金属杆长度的2/3。在这些测温孔上可根据需要灵活地插入多个带信号线的微形热电偶，测温孔数量可略多于热电偶1～2个，微形热电偶通过信号线可把各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕上。

技术领域

本发明涉及一种大学物理实验热学方面的教学实验仪器，尤其是一种开放式动态金属热导率实验仪。

背景技术

目前在大学物理实验中，测量金属热导率的各种实验仪器的种类繁多。这些测量热导率的实验仪器虽在结构和测量方法上各不相同，但从测量方法上大体可以分为“稳态法”(或称为“稳流法”)与“动态法”两大类。所谓“稳态法”(或称为“稳流法”)的测量方法就是让热量从高温热源经被测金属导体往低温热源以稳定的形态流动。目前绝大部分的热导率测量仪都是采用这种方法(包括本专利的发明人在2004年设计的一个实用新型专利“可替换式金属热导率测定仪”，ZL 2004200809319也属于这类稳态法的测量方法)，稳态法结构的一个共同特征是：仪器的测温点是在被测物体的两端，在被测物的中部不设测温点。这类稳态法的热导率测量仪器所依据的物理理论都是傅里叶热传导定律。从测量的角度来看，操作比较简便，测量的可靠较高。但从教学的角度出发，实验原理的应用比较浅显、直白，在培养学生的创造性思维和动手能力方面似有欠缺。而另一类动态法的热导率测量仪(以南大曾申请的实用新型“热导率动态测量仪”为代表)，其实验的理论是依据波动理论，假设高温热源的温度按简谐形式变化而形成热波沿金属杆传输，然后根据波动理论研究热波沿金属杆传输的流速，从而推算出金属的热导率。这种方法有三个明显缺陷：首先，因高温热源的温度改变是用开关形式控制的，其形成的热波波形是方波，而方波除了基波为简谐波外，还含有3倍和5倍等高次谐波干扰，所以波源性质为简谐波的假设事实上不成立；其次，该款热导率动态测量仪为了使高温热源端的供热接近简谐的规律，在高温热源间断停止加热时还要用冷却水对高温热源端进行冷却。这样就可能造成待测金属杆中的热量向高温热源端回流的问题；第三，根据波函数求解有要求金属杆低温热源端边界条件保持不变的条件，故该仪器设计对低温热源的冷却水有恒温、恒流的要求，这就提高了仪器使用条件的门槛。而且该仪器的被测物是不可替换的，学生在实验中主观参与性与动手的训练稍有不足。经过多年来多所高校(包括南大)的大量使用实践证明该实用新型仪器的实验误差普遍超过50％，仪器的设计和理论都是不成功的。因此，从深化相关的教学研究和提高仪器的教学效果的角度出发，重新研制一款更适合加强训练、更方便使用并能更好地揭示实验对象内在规律的热导率实验仪器，存在进一步创新的空间。

发明内容

为了满足教学科研的需要，本发明设计了一种新颖的开放式动态金属热导率实验仪，采用独特的开放性结构，被测金属杆和高温热源、低温热源等都位于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以便于从卡槽中拆卸替换成其它金属杆，并且被测金属杆在沿杆长度方向钻有多个等间距的小孔，由实验者根据需要自行选择测温孔安放微型热电偶测量被测金属杆上各点的温度变化情况。为避免被测金属杆在卡槽中转动并更好地导热，被测金属杆两端还被加工成矩形或梯形，以便与卡槽配合。

仪器还采用全新的实验方法，从而使实验者通过实验可学习更多的实验技能和对所依据的经典热传导理论有更深入的理解。

经典的热传导理论归纳起来可以用下式表示：