【非线性热对流斑图测试仪】
功能作用介绍：
非线性热对流斑图仪(NTCPI-2)是由北京大学物理学院基础物理实验教学中心周路群副教授、贾春燕高级工程师、冉书能工程师和刘国超工程师四人组成的小组经过科研教学实践，针对耗散结构理论和斑图动力学理论，自主搭建的一套用阴影法观察非线性热对流斑图发生发展的实验仪器，目前在实验室搭建的设备的基础上，由北京杏林睿光有限责任公司按工艺要求合作制造，正在推向部分高校试用。
耗散结构理论是20世纪60年代末发展出来的一门新兴科学理论，其提出者比利时布鲁塞尔学派代表人物普利高津教授于1977年获诺贝尔化学奖，该理论讨论一个远离平衡态的开放系统，在特定的参数条件下，从原来的无序状态，通过涨落，利用摩擦、扩散等具有建设作用的耗散因素，突变进入到称之为耗散结构的有序状态这样一个特别的非线性物理过程。
此非线性热对流斑图测试仪能够快速地直接观察以热对流系统形成的斑图从无到有的自组织形成以及斑图选择、演化、失稳等很多丰富的动力学现象，其核心部分是由冷却板与加热炉以及它们之间夹着的薄的透明流体薄层，比如水、酒精、甘油等。冷却板和加热炉分别对流体薄层的上下两个表面进行温度控制，在流体薄层上下表面温度差逐渐增加的过程中，流体内部从无对流的傅立叶热传导状态自组织突变到对流传热的状态，形成有序的对流元胞结构，由于对流元胞中的温度分布不均匀，从而流体对光的折射率就有了差别，采用一束均匀光束照在流体薄层上，液体局部折射率的差异导致光斑分布不均匀，于是产生不同灰度的光影，此即阴影法。这个观察手段可将流体内部的对流元胞结构图像化，从而使观察者直接观察到流体内部状态的变化，非常直观。最后，将呈在屏上的影像用CCD进行采集，即可在计算机上对图像进行实时观察，也可以保存起来用于后续的分析研究。
此仪器用于物理学院高年级本科生的近代物理课程的一个教学实验后，生动、直观、丰富的实验现象有利于学生对非线性科学领域中重要基本概念进行理解，引导同学们对非线性问题的深入思考。热对流斑图测试仪原理和技术方法是同学们们生活中熟悉的物理现象，生动有趣，变化万千，能引发各种联想。
本仪器开放式设计，结构简单、清晰、直观，物理变化的各个环节可调可变，一目了然，刻意避免了黑匣子式的设计。经过多年的实验教学实践，不断补充实验内容和完善仪器，这个实验题目深受同学和教员的喜爱，通过实验报告和交流邮件看得出同学对这个实验感受。例如，曾带此实验的周路群老师收到过一个学生的电子邮件，来探讨此实验中的概念问题和现象在他领域的应用的可能性，这位学生本科毕业后在欧洲读地质类的研究生，研究地壳层的有序现象，因本科期间做过这个实验，所以对他目前所研究的问题就有了不一样的视角和想法。感觉受益非浅。事实上，耗散结构理论不仅能解释许多物理、化学、生物等自然科学问题，近年来还被引入哲学、社会学经济学等诸多领域，成为当代少数几个能横跨自然与人文社会科学的重要科学理论之一。所以，利用此仪器产生的热对流斑图现象可对这个理论进行验证，甚至通过客观的物理现象联想和诠释自然及社会的种种现象。
在利用此仪器的实验教学过程中，还有诸多方面的知识点可以让学生们进行探索，比如，对流体层突变前后的两个状态以及它们之间的不同进行对比，可体现传热学方面的知识，突变前满足傅立叶热传导过程，据此还可以测出流体的热导率，突变后为对流传热过程;突变过程中可能的物理机制，这主要涉及到流体力学方面的知识。由于热的作用，导致液体温度分布不均匀，产生浮力，在浮力和重力，以及流体的粘滞性和热扩散性作用下，出现对流;结合看到的图像或斑图可对阴影法进行直观理解;实验过程中，可和同学们对温度传感器和图像采集等方面知识等等进行讨论。
用此仪器作实验不仅能够加深实验者对非线性科学的理解，还能够使实验者学习和巩固流体力学、光学、热学、及温度传感器、图像采集等多方面的知识，还能培养实验技术能力。光电系统及控制技术的合理运用，体现出此实验的综合性。热对流斑图实验仪较化学和生物方法的斑图实验设备来说，仪器结构简单、斑图现象出现快，动态过程即出即看，影像细节清晰、趣味性强、安全省时、样品低成本、是一种操作性强、知识点丰富的开放性斑图实验平台。
此仪器于2013年获国家发明专利(专利号ZL2012 1 0058539.3);于2012年8月，在教育部物理学与天文学教学指导委员会、中国高校实验物理教学研究会主办、四川大学承办的第七届全国高校物理实验教学研讨会实验仪器评比上，获全国高校物理实验仪器评比一等奖;于2011年获北京大学第六届实验技术成果奖二等奖。此教学实验是物理学科组“特色实验集锦”中的一个。
作品名称：非线性热对流斑图测试仪
完成单位：北京大学
