一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的教具及方法与流程

1.本发明属于传热学教具设备领域，具体涉及一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的教具和方法。


背景技术：

2.黑体辐射理论是高等学校中能源与动力工程专业、建筑环境与能源应用工程、安全工程等多个理工科专业的必修知识[陶文铨，《传热学》（第五版），高等教育出版社，2019年]。兰贝特定律是黑体辐射理论的三大定律之一，该定律描述了黑体辐射能量在空间方向的分布规律，其内容为：黑体单位面积辐射出去的能量在空间的不同方向分布是不均匀的，按空间纬度角θ呈余弦规律变化，也即法线方向上辐射能量最大，切线方向上为零，因此兰贝特定律也称为余弦定律。由于兰贝特定律描述的是黑体辐射在空间方向上的分布，因此需要采用球坐标系，同时引入半球空间、有效辐射面积、立体角等三维空间概念，使得该知识点成为本科阶段黑体辐射部分课堂教学的难点之一。在传统课堂教学中，教师仅仅通过多媒体、板书等传统教学手段，很难向学生将兰贝特定律讲述清楚，而学生对该定律的理解往往停留在字面意思，不能熟练掌握该定律的内涵及应用。


技术实现要素：

[0003]
针对上述问题，本发明提供了一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的教具和方法，该教具及方法结构简单、操作方便，可以有效帮助学生理解黑体辐射兰贝特定律的概念和内涵。
[0004]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的教具，包括底板和用于演示黑体辐射中半球空间的两个半球，底板中心位置放置用于模拟辐射面的光源，两个半球包括用于模拟黑体辐射概念中半球空间的透明半球和用于吸收光源所发出的部分可见光的半透明半球，半球的球面向上置于光源上方，连接光源的底板的板面设置用于镶嵌半球的底部边缘的环形凹槽。
[0005]
进一步，光源为led面光源，光源与底板通过螺栓固定连接。
[0006]
进一步，光源配置电源适配器。
[0007]
进一步，透明半球和半透明半球在嵌入环形凹槽内时球心与光源的中心重合。
[0008]
进一步，透明半球为透光率不低于90%的有机玻璃材质的透明半球。
[0009]
进一步，半透明半球为有机玻璃材质的半透明半球，半透明半球的透光率范围为5%~50%。
[0010]
一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的方法，采用上述教具，用可见光模拟辐射能，使用两个透光率不同的半球分别演示黑体辐射中的有效辐射面积和兰贝特定律的概念，使学生更易于理解和掌握，具体包括以下步骤：s1、演示有效辐射面积的概念：将光源放置于底板的中心位置，然后将透明半球置
于光源的正上方，透明半球的边缘嵌入环形凹槽内，此时不开启电源适配器，从透明半球的任意位置、法线方向、切线方向分别观察光源的可见面积；s2、演示辐射能量在半球空间上的分布规律：取下透明半球，然后将半透明半球置于光源的正上方，半透明半球的边缘置于环形凹槽内，开启电源适配器光源发出可见光，观察可见光在半透明半球上的亮度分布规律，以此理解辐射能量在半球空间上的分布规律，进而掌握兰贝特定律的内涵。
[0011]
综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）本发明的教具结构简单、携带方便，采用光源和透明半球分别模拟辐射面和半球空间，可以有效帮助学生理解半球空间、有效辐射面积等黑体辐射的基本概念。
[0012]
（2）本发明的演示方法操作简单、直观可视，便于教师在课堂教学过程中进行随堂演示，通过与多媒体、板书等教学手段相结合，帮助学生更直观地理解兰贝特定律的概念和内涵，课堂实践表明该教具和方法收到学生的良好反馈。
附图说明
[0013]
图1为本发明实施例提供的教具的结构示意图。
[0014]
图2为本发明演示有效辐射面积的示意图。
[0015]
图3为可见光（辐射能）在半透明半球上的分布示意图。
[0016]
图4为led可见光在半透明半球上分布的实际效果图。
[0017]
其中：1为底板、2为透明半球、3为光源、4为电源适配器、5为半透明半球、6为螺栓、7为环形凹槽，8为有效辐射面积。
具体实施方式
[0018]
如图1~3所示，本发明公开了一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的教具，用于演示黑体辐射中半球空间、有效辐射面积、兰贝特定律的概念，包括底板1、透明半球2、光源3、电源适配器4、半透明半球5，底板1中心位置设置用于模拟辐射面的光源3，光源3与底板1通过螺栓6连接，连接光源3的底板1的板面设置用于镶嵌半球的底部边缘的环型凹槽7，透明半球2和半透明半球5在使用时将边缘嵌入环形凹槽7内。
[0019]
具体地，结合图1和图2所示，所述光源3采用led面光源，放置于底板1的中心位置，用于模拟辐射面，光源的发光面积记作a；透明半球2采用有机玻璃材质，其透光率不低于90%，位于光源3的正上方，用于模拟黑体辐射概念中的半球空间，透明半球2的球心与光源3的中心相重合。观察者从透明半球2上的纬度角θ位置去观察光源3，如图2所示，所能看到的面积为辐射面在该纬度角θ方向的垂直平面上的投影面积，即光源3对于纬度角θ位置的有效辐射面积8，根据几何关系，有效辐射面积8的面积即为acosθ；当从纬度角的法线方向n即纬度角θ = 0
°
观察光源3时，观察者所能看到的有效辐射面积8最大，即光源3发光面的面积a；当从纬度角的切线方向τ即纬度角θ = 90
°
观察光源3时，所能看到的有效辐射面积最小，即透明半球2切线方向的有效辐射面积为零。
[0020]
结合图1和图3所示，半透明半球5采用有机玻璃材质，半透明半球5的透光率范围为5%~50%，用于吸收光源3所发出的部分可见光。用半透明半球5替换透明半球2，将其罩于光源3的正上方，半透明半球5的边缘嵌入环形凹槽7内，半透明半球5的球心与光源3的中心
相重合。打开电源适配器4使光源3发出可见光，由于可见光属于热辐射，利用可见光模拟辐射能，且光源3为led面光源，因此所发出的可见光在半球空间的分布符合兰贝特定律，也即可见光亮度按纬度角θ呈余弦规律变化。同时，由于半透明半球5具有半透明特性，因此光源3发出的可见光一部分被半透明半球5所吸收，一部分可以穿透半透明半球5，使得半透明半球5上的可见光亮度分布更为直观，容易被直接观察到。此时，半透明半球5的顶部即纬度角的法线方向亮度最大，此时纬度角θ = 0
°
，随着纬度角θ增大亮度逐渐减弱，半透明半球5的底部即纬度角的切线方向无光线亮度，此时纬度角θ = 90
°
，如图3所示。图4所示为led可见光在半透明半球上分布的实际效果图。通过这一演示过程可以很好地再现兰贝特定律的特征，帮助学生更直观地理解该定律的内容。
[0021]
此外，本发明还公开了一种用于演示黑体辐射兰贝特定律的方法，用可见光模拟辐射能，使用两个透光率不同的半球演示黑体辐射兰贝特定律，使学生更易于理解和快速掌握兰贝特定律，包括以下步骤：s1、演示有效辐射面积的概念：将光源3放置于底板1的中心位置，然后将透明半球2置于光源3的正上方，透明半球2的边缘嵌入凹槽7内，此时不开启电源适配器4，从透明半球2的任意位置、法线方向、切线方向分别观察光源3的可见面积；s2、演示辐射能量在半球空间上的分布规律：取下透明半球2，用半透明半球5替换透明半球2，置于光源3的正上方，半透明半球5的边缘置于环形凹槽7内，开启电源适配器4使光源3发出可见光，观察可见光在半透明半球5上的亮度分布规律，以此理解辐射能量在半球空间上的分布规律，进而掌握兰贝特定律的内涵。
[0022]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。