【非線性熱對(duì)流斑圖測(cè)試儀】

　　功能作用介紹：

　　非線性熱對(duì)流斑圖儀(NTCPI-2)是由北京大學(xué)物理學(xué)院基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心周路群副教授、賈春燕高級(jí)工程師、冉書能工程師和劉國(guó)超工程師四人組成的小組經(jīng)過科研教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)耗散結(jié)構(gòu)理論和斑圖動(dòng)力學(xué)理論，自主搭建的一套用陰影法觀察非線性熱對(duì)流斑圖發(fā)生發(fā)展的實(shí)驗(yàn)儀器，目前在實(shí)驗(yàn)室搭建的設(shè)備的基礎(chǔ)上，由北京杏林睿光有限責(zé)任公司按工藝要求合作制造，正在推向部分高校試用。

　　耗散結(jié)構(gòu)理論是20世紀(jì)60年代末發(fā)展出來的一門新興科學(xué)理論，其提出者比利時(shí)布魯塞爾學(xué)派代表人物普利高津教授于1977年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，該理論討論一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，在特定的參數(shù)條件下，從原來的無序狀態(tài)，通過漲落，利用摩擦、擴(kuò)散等具有建設(shè)作用的耗散因素，突變進(jìn)入到稱之為耗散結(jié)構(gòu)的有序狀態(tài)這樣一個(gè)特別的非線性物理過程。

　　此非線性熱對(duì)流斑圖測(cè)試儀能夠快速地直接觀察以熱對(duì)流系統(tǒng)形成的斑圖從無到有的自組織形成以及斑圖選擇、演化、失穩(wěn)等很多豐富的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，其核心部分是由冷卻板與加熱爐以及它們之間夾著的薄的透明流體薄層，比如水、酒精、甘油等。冷卻板和加熱爐分別對(duì)流體薄層的上下兩個(gè)表面進(jìn)行溫度控制，在流體薄層上下表面溫度差逐漸增加的過程中，流體內(nèi)部從無對(duì)流的傅立葉熱傳導(dǎo)狀態(tài)自組織突變到對(duì)流傳熱的狀態(tài)，形成有序的對(duì)流元胞結(jié)構(gòu)，由于對(duì)流元胞中的溫度分布不均勻，從而流體對(duì)光的折射率就有了差別，采用一束均勻光束照在流體薄層上，液體局部折射率的差異導(dǎo)致光斑分布不均勻，于是產(chǎn)生不同灰度的光影，此即陰影法。這個(gè)觀察手段可將流體內(nèi)部的對(duì)流元胞結(jié)構(gòu)圖像化，從而使觀察者直接觀察到流體內(nèi)部狀態(tài)的變化，非常直觀。最后，將呈在屏上的影像用CCD進(jìn)行采集，即可在計(jì)算機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，也可以保存起來用于后續(xù)的分析研究。

　　此儀器用于物理學(xué)院高年級(jí)本科生的近代物理課程的一個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)后，生動(dòng)、直觀、豐富的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有利于學(xué)生對(duì)非線性科學(xué)領(lǐng)域中重要基本概念進(jìn)行理解，引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)非線性問題的深入思考。熱對(duì)流斑圖測(cè)試儀原理和技術(shù)方法是同學(xué)們們生活中熟悉的物理現(xiàn)象，生動(dòng)有趣，變化萬千，能引發(fā)各種聯(lián)想。

　　本儀器開放式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰、直觀，物理變化的各個(gè)環(huán)節(jié)可調(diào)可變，一目了然，刻意避免了黑匣子式的設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，不斷補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和完善儀器，這個(gè)實(shí)驗(yàn)題目深受同學(xué)和教員的喜愛，通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告和交流郵件看得出同學(xué)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)感受。例如，曾帶此實(shí)驗(yàn)的周路群老師收到過一個(gè)學(xué)生的電子郵件，來探討此實(shí)驗(yàn)中的概念問題和現(xiàn)象在他領(lǐng)域的應(yīng)用的可能性，這位學(xué)生本科畢業(yè)后在歐洲讀地質(zhì)類的研究生，研究地殼層的有序現(xiàn)象，因本科期間做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，所以對(duì)他目前所研究的問題就有了不一樣的視角和想法。感覺受益非淺。事實(shí)上，耗散結(jié)構(gòu)理論不僅能解釋許多物理、化學(xué)、生物等自然科學(xué)問題，近年來還被引入哲學(xué)、社會(huì)學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)等諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)代少數(shù)幾個(gè)能橫跨自然與人文社會(huì)科學(xué)的重要科學(xué)理論之一。所以，利用此儀器產(chǎn)生的熱對(duì)流斑圖現(xiàn)象可對(duì)這個(gè)理論進(jìn)行驗(yàn)證，甚至通過客觀的物理現(xiàn)象聯(lián)想和詮釋自然及社會(huì)的種種現(xiàn)象。

　　在利用此儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，還有諸多方面的知識(shí)點(diǎn)可以讓學(xué)生們進(jìn)行探索，比如，對(duì)流體層突變前后的兩個(gè)狀態(tài)以及它們之間的不同進(jìn)行對(duì)比，可體現(xiàn)傳熱學(xué)方面的知識(shí)，突變前滿足傅立葉熱傳導(dǎo)過程，據(jù)此還可以測(cè)出流體的熱導(dǎo)率，突變后為對(duì)流傳熱過程;突變過程中可能的物理機(jī)制，這主要涉及到流體力學(xué)方面的知識(shí)。由于熱的作用，導(dǎo)致液體溫度分布不均勻，產(chǎn)生浮力，在浮力和重力，以及流體的粘滯性和熱擴(kuò)散性作用下，出現(xiàn)對(duì)流;結(jié)合看到的圖像或斑圖可對(duì)陰影法進(jìn)行直觀理解;實(shí)驗(yàn)過程中，可和同學(xué)們對(duì)溫度傳感器和圖像采集等方面知識(shí)等等進(jìn)行討論。

　　用此儀器作實(shí)驗(yàn)不僅能夠加深實(shí)驗(yàn)者對(duì)非線性科學(xué)的理解，還能夠使實(shí)驗(yàn)者學(xué)習(xí)和鞏固流體力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、及溫度傳感器、圖像采集等多方面的知識(shí)，還能培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力。光電系統(tǒng)及控制技術(shù)的合理運(yùn)用，體現(xiàn)出此實(shí)驗(yàn)的綜合性。熱對(duì)流斑圖實(shí)驗(yàn)儀較化學(xué)和生物方法的斑圖實(shí)驗(yàn)設(shè)備來說，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斑圖現(xiàn)象出現(xiàn)快，動(dòng)態(tài)過程即出即看，影像細(xì)節(jié)清晰、趣味性強(qiáng)、安全省時(shí)、樣品低成本、是一種操作性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)豐富的開放性斑圖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　此儀器于2013年獲國(guó)家發(fā)明專利(專利號(hào)ZL2012 1 0058539.3);于2012年8月，在教育部物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、中國(guó)高校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會(huì)主辦、四川大學(xué)承辦的第七屆全國(guó)高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)實(shí)驗(yàn)儀器評(píng)比上，獲全國(guó)高校物理實(shí)驗(yàn)儀器評(píng)比一等獎(jiǎng);于2011年獲北京大學(xué)第六屆實(shí)驗(yàn)技術(shù)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。此教學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科組“特色實(shí)驗(yàn)集錦”中的一個(gè)。

    作品名稱：非線性熱對(duì)流斑圖測(cè)試儀

    完成單位：北京大學(xué)