【非線性熱對流斑圖測試儀】
功能作用介紹：
非線性熱對流斑圖儀(NTCPI-2)是由北京大學物理學院基礎物理實驗教學中心周路群副教授、賈春燕高級工程師、冉書能工程師和劉國超工程師四人組成的小組經過科研教學實踐，針對耗散結構理論和斑圖動力學理論，自主搭建的一套用陰影法觀察非線性熱對流斑圖發生發展的實驗儀器，目前在實驗室搭建的設備的基礎上，由北京杏林睿光有限責任公司按工藝要求合作制造，正在推向部分高校試用。
耗散結構理論是20世紀60年代末發展出來的一門新興科學理論，其提出者比利時布魯塞爾學派代表人物普利高津教授于1977年獲諾貝爾化學獎，該理論討論一個遠離平衡態的開放系統，在特定的參數條件下，從原來的無序狀態，通過漲落，利用摩擦、擴散等具有建設作用的耗散因素，突變進入到稱之為耗散結構的有序狀態這樣一個特別的非線性物理過程。
此非線性熱對流斑圖測試儀能夠快速地直接觀察以熱對流系統形成的斑圖從無到有的自組織形成以及斑圖選擇、演化、失穩等很多豐富的動力學現象，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流體薄層的上下兩個表面進行溫度控制，在流體薄層上下表面溫度差逐漸增加的過程中，流體內部從無對流的傅立葉熱傳導狀態自組織突變到對流傳熱的狀態，形成有序的對流元胞結構，由于對流元胞中的溫度分布不均勻，從而流體對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致光斑分布不均勻，于是產生不同灰度的光影，此即陰影法。這個觀察手段可將流體內部的對流元胞結構圖像化，從而使觀察者直接觀察到流體內部狀態的變化，非常直觀。最后，將呈在屏上的影像用CCD進行采集，即可在計算機上對圖像進行實時觀察，也可以保存起來用于后續的分析研究。
此儀器用于物理學院高年級本科生的近代物理課程的一個教學實驗后，生動、直觀、豐富的實驗現象有利于學生對非線性科學領域中重要基本概念進行理解，引導同學們對非線性問題的深入思考。熱對流斑圖測試儀原理和技術方法是同學們們生活中熟悉的物理現象，生動有趣，變化萬千，能引發各種聯想。
本儀器開放式設計，結構簡單、清晰、直觀，物理變化的各個環節可調可變，一目了然，刻意避免了黑匣子式的設計。經過多年的實驗教學實踐，不斷補充實驗內容和完善儀器，這個實驗題目深受同學和教員的喜愛，通過實驗報告和交流郵件看得出同學對這個實驗感受。例如，曾帶此實驗的周路群老師收到過一個學生的電子郵件，來探討此實驗中的概念問題和現象在他領域的應用的可能性，這位學生本科畢業后在歐洲讀地質類的研究生，研究地殼層的有序現象，因本科期間做過這個實驗，所以對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。事實上，耗散結構理論不僅能解釋許多物理、化學、生物等自然科學問題，近年來還被引入哲學、社會學經濟學等諸多領域，成為當代少數幾個能橫跨自然與人文社會科學的重要科學理論之一。所以，利用此儀器產生的熱對流斑圖現象可對這個理論進行驗證，甚至通過客觀的物理現象聯想和詮釋自然及社會的種種現象。
在利用此儀器的實驗教學過程中，還有諸多方面的知識點可以讓學生們進行探索，比如，對流體層突變前后的兩個狀態以及它們之間的不同進行對比，可體現傳熱學方面的知識，突變前滿足傅立葉熱傳導過程，據此還可以測出流體的熱導率，突變后為對流傳熱過程;突變過程中可能的物理機制，這主要涉及到流體力學方面的知識。由于熱的作用，導致液體溫度分布不均勻，產生浮力，在浮力和重力，以及流體的粘滯性和熱擴散性作用下，出現對流;結合看到的圖像或斑圖可對陰影法進行直觀理解;實驗過程中，可和同學們對溫度傳感器和圖像采集等方面知識等等進行討論。
用此儀器作實驗不僅能夠加深實驗者對非線性科學的理解，還能夠使實驗者學習和鞏固流體力學、光學、熱學、及溫度傳感器、圖像采集等多方面的知識，還能培養實驗技術能力。光電系統及控制技術的合理運用，體現出此實驗的綜合性。熱對流斑圖實驗儀較化學和生物方法的斑圖實驗設備來說，儀器結構簡單、斑圖現象出現快，動態過程即出即看，影像細節清晰、趣味性強、安全省時、樣品低成本、是一種操作性強、知識點豐富的開放性斑圖實驗平臺。
此儀器于2013年獲國家發明專利(專利號ZL2012 1 0058539.3);于2012年8月，在教育部物理學與天文學教學指導委員會、中國高校實驗物理教學研究會主辦、四川大學承辦的第七屆全國高校物理實驗教學研討會實驗儀器評比上，獲全國高校物理實驗儀器評比一等獎;于2011年獲北京大學第六屆實驗技術成果獎二等獎。此教學實驗是物理學科組“特色實驗集錦”中的一個。
作品名稱：非線性熱對流斑圖測試儀
完成單位：北京大學
