紅外熱成像儀在物理教學(xué)中的應(yīng)用①

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)，江蘇 南京 210003)

1 實(shí)驗儀器介紹

紅外熱成像儀是一種利用紅外線成像的儀器，它可以同時測量多個點(diǎn)的輻射頻率和輻射強(qiáng)度，一個分辨率為640×480的紅外熱成像儀可以同時測量307200個點(diǎn)的輻射數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過運(yùn)算最終合成為一幅圖像，不同的亮度表示不同的溫度，在Gray模式下亮度越亮，溫度越高。

紅外熱成像儀常用于軍事偵察、工業(yè)診斷測量以及應(yīng)急救援，由于價格非常昂貴，以前很少見于民用，但是隨著科技的發(fā)展，紅外熱成像儀的價格逐步下降，甚至出現(xiàn)了基于手機(jī)接口的小型紅外熱成像儀(如圖1)，圖像可以直接顯示在手機(jī)屏幕上，不僅可以拍攝照片還可以錄制視頻，使用起來非常便捷。

圖1

本文中使用的紅外熱成像儀有兩個攝像頭，一個是普通攝像頭，一個是紅外攝像頭，成像時合成兩個攝像頭各自拍攝的畫面。在拍攝大量照片的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)這個器材存在不足，當(dāng)拍攝近距離物體時，由于這兩個攝像頭視角不同，普通攝像頭與紅外攝像頭所成的像不能完全重合，合成之后的圖像會有重影，當(dāng)拍攝中、遠(yuǎn)距離的物體時不存在這個問題。

紅外線熱成像儀的最大優(yōu)勢是將不同溫度物體以不同的顏色體現(xiàn)出來，圖像給人最直觀的視覺體驗，它能夠快速、全面地給觀察者呈現(xiàn)畫面中的溫度信息。紅外熱成像儀能不能用于物理教學(xué)，提升教學(xué)效能，給學(xué)生帶來全新的視覺體驗？下文是筆者將介紹紅外測溫儀應(yīng)用于物理教學(xué)的幾點(diǎn)嘗試。

2 應(yīng)用示例

2.1 尋找電路中的高功率電阻

有五個相同的電阻按如圖2的方式接入穩(wěn)恒直流電路，判斷那一只電阻的功率最大？

圖2

當(dāng)教師引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識判斷出R3功率最大之后，可以設(shè)計這樣一個環(huán)節(jié)：把5只相同的電阻按照圖2的方式焊接在一起(如圖3)，然后用2節(jié)干電池供電，通電一段時間之后，用紅外熱成像儀拍攝圖像(如圖4)，從中可以發(fā)現(xiàn)R3區(qū)域最大最亮，說明R3的溫度最高，間接印證了R3的功率最大。同時還可以發(fā)現(xiàn)R4比R2的溫度高，教師可以組織學(xué)生就這個現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。

圖3

圖4

理論分析與實(shí)驗驗證相結(jié)合的教學(xué)方式給學(xué)生留下更深刻的學(xué)習(xí)體驗，相比用電壓表和電流表測功率，用紅外成像的方式更加快速直觀。此外紅外熱成像儀還可用幫助維修人員快速尋找電路中局部短路的故障點(diǎn)，從而縮短維修周期。

2.2 觀察渦流發(fā)熱的過程

在教學(xué)中教師經(jīng)常用電磁爐來舉例說明渦流在生活中的應(yīng)用，這個演示實(shí)驗的關(guān)鍵在于證明鍋內(nèi)能的增加來自于渦流而不是熱傳遞。實(shí)驗中需要測量鍋的溫度和電磁爐面板的溫度，如果電磁爐的面板溫度高于鍋的溫度，說明這種加熱方式屬于熱傳遞；如果鍋的溫度大于電磁爐面板的溫度，說明這種加熱方式屬于渦流產(chǎn)生的焦耳熱。以往有兩種測溫方式：(1) 直接用手觸摸進(jìn)行粗略對比；(2) 用溫度計測量，由于電磁爐面板是固體表面，不便于測量溫度，可以用紅外測溫槍進(jìn)行測量。

現(xiàn)在，用紅外熱成像儀也可以實(shí)現(xiàn)溫度的對比，圖5是在電磁爐工作時拍攝的照片。紅外熱成像儀以顏色體現(xiàn)了不同位置的溫差，學(xué)生可以直接看出鍋的溫度比電磁爐面板高。熱成像軟件還可以提供不同位置的溫度數(shù)值，為定量測量提供了保障。

圖5

筆者還設(shè)計了一個探究實(shí)驗：用電磁爐加熱平底鍋，哪個地方最先熱起來？用紅外熱成像儀拍攝加熱初期的照片(如圖6)，可以發(fā)現(xiàn)一個圓環(huán)型的高溫區(qū)域，并且在圓環(huán)的中央，有一個溫度非常高的點(diǎn)，多次實(shí)驗均出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，這個現(xiàn)象的出現(xiàn)應(yīng)該與電磁爐產(chǎn)生的磁場有關(guān)，至于為什么該點(diǎn)的感應(yīng)電流發(fā)熱最大，還有待繼續(xù)探究。

圖6

2.3 在選修3-3模塊中的應(yīng)用

準(zhǔn)備一個銅管，分別用酒精燈加熱銅管中部(如圖7)，用麻繩繞在銅管上來回拉動(如圖8)，并拍攝圖片。

圖7

從圖7中可以看到酒精燈火焰通過熱傳遞改變了銅管的內(nèi)能，火焰所在的位置溫度最高，左右兩側(cè)溫度逐漸下降；從圖8可以看到繩子通過摩擦力做功的方式改變了銅管的內(nèi)能，同時繩子的內(nèi)能也升高了。這兩個實(shí)驗說明做功和熱傳遞在改變內(nèi)能方面是等效的。

圖8

在“固體”的教學(xué)中，一般通過觀察蜂蠟熔化的邊界呈現(xiàn)橢圓形判斷出云母晶體在導(dǎo)熱方面的各向異性。如果用紅外熱成像儀做這個實(shí)驗就比較簡單，首先不需要用蜂蠟這個實(shí)驗器材，用燒紅的針接觸玻璃和云母薄片，并拍攝圖像。

從圖9中可以看到普通玻璃熱傳導(dǎo)區(qū)域呈現(xiàn)圓形，從圖10中可以看到云母薄片熱傳導(dǎo)區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形，沿不同方向云母薄片導(dǎo)熱性能存在差異，實(shí)驗證明了云母晶體在導(dǎo)熱方面具備各向異性。

圖9

圖10

2.4 生活中的趣味發(fā)現(xiàn)

45分鐘的課堂只是物理教學(xué)的起點(diǎn)，豐富多彩的生活才是物理教學(xué)最有生命力的地方。筆者曾經(jīng)將紅外熱成像儀借給多個學(xué)生，讓他們用紅外測溫儀觀察生活，以下是學(xué)生拍攝的一組圖片。

圖11說明：冰箱側(cè)面的有散熱管，用手摸能感覺到發(fā)熱，但是散熱管是隱藏在外殼里面的，紅外熱成像儀可將散熱管的形狀和位置都顯示出來。

圖11

圖12說明：生活中用微波爐加熱經(jīng)常發(fā)現(xiàn)食物的外面雖然是冷的，里面卻很燙。用微波爐加熱冰冷的饅頭15秒鐘，迅速用刀切開做紅外成像，圖中可以看到內(nèi)部的溫度確實(shí)高于表面的溫度。

圖13說明：不用打開龍頭，浴室里的熱水管與冷水管也非常容易區(qū)分開，就連在墻里面的熱水管也無處藏身，如果需要

在墻上鉆孔，一定可以避開熱水管。

還有學(xué)生研究手機(jī)或筆記本電腦長時間工作之后的散熱情況，有的學(xué)生研究人體不同部位溫度分布規(guī)律，有的學(xué)生用紅外熱成像儀在夜晚尋找小動物。紅外熱成像儀已成為一款學(xué)生手上高端有趣的探究利器。

圖12

圖13

3 結(jié)語

將紅外熱成像儀應(yīng)用到物理教學(xué)中，不僅能夠提升傳統(tǒng)實(shí)驗的視覺效果，還為創(chuàng)新實(shí)驗提供了硬件條件，更重要的是它為學(xué)生探究生活中的物理現(xiàn)象提供了一個有力的工具。隨著科技的發(fā)展，會有更多器材從專業(yè)領(lǐng)域走進(jìn)民用領(lǐng)域，例如3D打印技術(shù)、高速攝影機(jī)，物理教師應(yīng)該敏銳地關(guān)注到這些器材的教育價值，在適當(dāng)?shù)臅r候引入，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，為物理課堂服務(wù)，以提升物理教學(xué)效果，拓展學(xué)生視野，逐步提升教育現(xiàn)代化水平。