紅外熱成像儀在物理教學中的應用①

(南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210003)

1 實驗儀器介紹

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的輻射頻率和輻射強度，一個分辨率為640×480的紅外熱成像儀可以同時測量307200個點的輻射數據，這些數據通過運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、工業診斷測量以及應急救援，由于價格非常昂貴，以前很少見于民用，但是隨著科技的發展，紅外熱成像儀的價格逐步下降，甚至出現了基于手機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，筆者發現這個器材存在不足，當拍攝近距離物體時，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，當拍攝中、遠距離的物體時不存在這個問題。

紅外線熱成像儀的最大優勢是將不同溫度物體以不同的顏色體現出來，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畫面中的溫度信息。紅外熱成像儀能不能用于物理教學，提升教學效能，給學生帶來全新的視覺體驗？下文是筆者將介紹紅外測溫儀應用于物理教學的幾點嘗試。

2 應用示例

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的方式接入穩恒直流電路，判斷那一只電阻的功率最大？

圖2

當教師引導學生利用理論知識判斷出R3功率最大之后，可以設計這樣一個環節：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)，從中可以發現R3區域最大最亮，說明R3的溫度最高，間接印證了R3的功率最大。同時還可以發現R4比R2的溫度高，教師可以組織學生就這個現象進行理論分析。

圖3

圖4

理論分析與實驗驗證相結合的教學方式給學生留下更深刻的學習體驗，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，從而縮短維修周期。

2.2 觀察渦流發熱的過程

在教學中教師經常用電磁爐來舉例說明渦流在生活中的應用，這個演示實驗的關鍵在于證明鍋內能的增加來自于渦流而不是熱傳遞。實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生的焦耳熱。以往有兩種測溫方式：(1) 直接用手觸摸進行粗略對比；(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行測量。

現在，用紅外熱成像儀也可以實現溫度的對比，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了不同位置的溫差，學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值，為定量測量提供了保障。

圖5

筆者還設計了一個探究實驗：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)，可以發現一個圓環型的高溫區域，并且在圓環的中央，有一個溫度非常高的點，多次實驗均出現這樣的現象，這個現象的出現應該與電磁爐產生的磁場有關，至于為什么該點的感應電流發熱最大，還有待繼續探究。

圖6

2.3 在選修3-3模塊中的應用

準備一個銅管，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能，火焰所在的位置溫度最高，左右兩側溫度逐漸下降；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能，同時繩子的內能也升高了。這兩個實驗說明做功和熱傳遞在改變內能方面是等效的。

圖8

在“固體”的教學中，一般通過觀察蜂蠟熔化的邊界呈現橢圓形判斷出云母晶體在導熱方面的各向異性。如果用紅外熱成像儀做這個實驗就比較簡單，首先不需要用蜂蠟這個實驗器材，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區域呈現圓形，從圖10中可以看到云母薄片熱傳導區域呈現橢圓形，沿不同方向云母薄片導熱性能存在差異，實驗證明了云母晶體在導熱方面具備各向異性。

圖9

圖10

2.4 生活中的趣味發現

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

圖11說明：冰箱側面的有散熱管，用手摸能感覺到發熱，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常發現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，圖中可以看到內部的溫度確實高于表面的溫度。

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。

還有學生研究手機或筆記本電腦長時間工作之后的散熱情況，有的學生研究人體不同部位溫度分布規律，有的學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生手上高端有趣的探究利器。

圖12

圖13

3 結語

將紅外熱成像儀應用到物理教學中，不僅能夠提升傳統實驗的視覺效果，還為創新實驗提供了硬件條件，更重要的是它為學生探究生活中的物理現象提供了一個有力的工具。隨著科技的發展，會有更多器材從專業領域走進民用領域，例如3D打印技術、高速攝影機，物理教師應該敏銳地關注到這些器材的教育價值，在適當的時候引入，充分發揮其優勢，為物理課堂服務，以提升物理教學效果，拓展學生視野，逐步提升教育現代化水平。