高中定量 · 初中直观拓展 · 热学 · 傅里叶导热

厚一倍,热流能少一半吗?

一维稳态平板,两端温度固定60°C与20°C,接触与对流热阻忽略。增加材料厚度,比较稳态热流。

问题的来处1822年 · 傅里叶《热的解析理论》

导热桥:问题从哪里来?

热怎样穿过墙壁?傅里叶用温度梯度描述热流,把房屋保温、金属导热与数学分析联系起来。

读一段背景,带着问题动手

热怎样穿过墙壁?傅里叶用温度梯度描述热流,把房屋保温、金属导热与数学分析联系起来。

本页比较平板的稳态导热。厚度、面积和导热系数有不同作用;刚开始加热时尚未建立稳态,不能立刻套用稳态热流。

现在,换你来试增加材料厚度,比较稳态热流。 固定其他条件,亲手将导热长度分别设为5和10cm,各核验一次;材料内部的温度梯度也改变了吗?

导热桥

P28 / 热学
今天的问题

材料内部的温度梯度也改变了吗?

独立探索要做什么?

增加材料厚度,比较稳态热流。 固定其他条件,亲手将导热长度分别设为5和10cm,各核验一次;材料内部的温度梯度也改变了吗?

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从20到1 cm逐步改变导热长度;这是条件比较,不是物理时间。暂停后可亲手调整。

尚未开始;也可直接使用装置旁的参数控件。
端温固定 · 一维稳态传导热功率40 W0中线 · 各量独立标定温度梯度大小800 K/m0中线 · 各量独立标定

固定端温的稳态温度线不随k与面积改变,热流会改变。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

红端:60°C蓝端:20°C金线:温度分布
看这里 · 传导热功率40 W

每秒传热40.000 J;不表示温度每秒下降相同数值。 固定端温的稳态温度线不随k与面积改变,热流会改变。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

传导热功率
40 W
温度梯度大小
800 K/m

每秒传热40.000 J;不表示温度每秒下降相同数值。 固定端温的稳态温度线不随k与面积改变,热流会改变。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

同样厚度,换低导热材料会怎样?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

Q̇=kAΔT/L;T(x)=Th−ΔT·x/L。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

材料内部的温度梯度也改变了吗?

换个条件,再试一次

同样厚度,换低导热材料会怎样?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识热学 · 傅里叶导热涉及的量与单位:导热长度(cm)、导热系数(W/(m·K))、传热面积(m²)。高中定量 · 初中直观拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:增加材料厚度,比较稳态热流。

再做定量:保持其他条件,比较导热长度与传导热功率(W),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

Q̇=kAΔT/L;T(x)=Th−ΔT·x/L。

对照核验提示:较薄层:导热长度 5 cm;两倍厚度:只改变导热长度 10 cm。按这些题设自己操作并比较传导热功率,不把参考情景当个人完成。

适用范围:每秒传热40.000 J;不表示温度每秒下降相同数值。 固定端温的稳态温度线不随k与面积改变,热流会改变。

OpenStax · Heat Transfer(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。