红外热成像仪在物理教学中的应用①

(南京师范大学附属中学，江苏 南京 210003)

1 实验仪器介绍

红外热成像仪是一种利用红外线成像的仪器，它可以同时测量多个点的辐射频率和辐射强度，一个分辨率为640×480的红外热成像仪可以同时测量307200个点的辐射数据，这些数据通过运算最终合成为一幅图像，不同的亮度表示不同的温度，在Gray模式下亮度越亮，温度越高。

红外热成像仪常用于军事侦察、工业诊断测量以及应急救援，由于价格非常昂贵，以前很少见于民用，但是随着科技的发展，红外热成像仪的价格逐步下降，甚至出现了基于手机接口的小型红外热成像仪(如图1)，图像可以直接显示在手机屏幕上，不仅可以拍摄照片还可以录制视频，使用起来非常便捷。

图1

本文中使用的红外热成像仪有两个摄像头，一个是普通摄像头，一个是红外摄像头，成像时合成两个摄像头各自拍摄的画面。在拍摄大量照片的过程中，笔者发现这个器材存在不足，当拍摄近距离物体时，由于这两个摄像头视角不同，普通摄像头与红外摄像头所成的像不能完全重合，合成之后的图像会有重影，当拍摄中、远距离的物体时不存在这个问题。

红外线热成像仪的最大优势是将不同温度物体以不同的颜色体现出来，图像给人最直观的视觉体验，它能够快速、全面地给观察者呈现画面中的温度信息。红外热成像仪能不能用于物理教学，提升教学效能，给学生带来全新的视觉体验？下文是笔者将介绍红外测温仪应用于物理教学的几点尝试。

2 应用示例

2.1 寻找电路中的高功率电阻

有五个相同的电阻按如图2的方式接入稳恒直流电路，判断那一只电阻的功率最大？

图2

当教师引导学生利用理论知识判断出R3功率最大之后，可以设计这样一个环节：把5只相同的电阻按照图2的方式焊接在一起(如图3)，然后用2节干电池供电，通电一段时间之后，用红外热成像仪拍摄图像(如图4)，从中可以发现R3区域最大最亮，说明R3的温度最高，间接印证了R3的功率最大。同时还可以发现R4比R2的温度高，教师可以组织学生就这个现象进行理论分析。

图3

图4

理论分析与实验验证相结合的教学方式给学生留下更深刻的学习体验，相比用电压表和电流表测功率，用红外成像的方式更加快速直观。此外红外热成像仪还可用帮助维修人员快速寻找电路中局部短路的故障点，从而缩短维修周期。

2.2 观察涡流发热的过程

在教学中教师经常用电磁炉来举例说明涡流在生活中的应用，这个演示实验的关键在于证明锅内能的增加来自于涡流而不是热传递。实验中需要测量锅的温度和电磁炉面板的温度，如果电磁炉的面板温度高于锅的温度，说明这种加热方式属于热传递；如果锅的温度大于电磁炉面板的温度，说明这种加热方式属于涡流产生的焦耳热。以往有两种测温方式：(1) 直接用手触摸进行粗略对比；(2) 用温度计测量，由于电磁炉面板是固体表面，不便于测量温度，可以用红外测温枪进行测量。

现在，用红外热成像仪也可以实现温度的对比，图5是在电磁炉工作时拍摄的照片。红外热成像仪以颜色体现了不同位置的温差，学生可以直接看出锅的温度比电磁炉面板高。热成像软件还可以提供不同位置的温度数值，为定量测量提供了保障。

图5

笔者还设计了一个探究实验：用电磁炉加热平底锅，哪个地方最先热起来？用红外热成像仪拍摄加热初期的照片(如图6)，可以发现一个圆环型的高温区域，并且在圆环的中央，有一个温度非常高的点，多次实验均出现这样的现象，这个现象的出现应该与电磁炉产生的磁场有关，至于为什么该点的感应电流发热最大，还有待继续探究。

图6

2.3 在选修3-3模块中的应用

准备一个铜管，分别用酒精灯加热铜管中部(如图7)，用麻绳绕在铜管上来回拉动(如图8)，并拍摄图片。

图7

从图7中可以看到酒精灯火焰通过热传递改变了铜管的内能，火焰所在的位置温度最高，左右两侧温度逐渐下降；从图8可以看到绳子通过摩擦力做功的方式改变了铜管的内能，同时绳子的内能也升高了。这两个实验说明做功和热传递在改变内能方面是等效的。

图8

在“固体”的教学中，一般通过观察蜂蜡熔化的边界呈现椭圆形判断出云母晶体在导热方面的各向异性。如果用红外热成像仪做这个实验就比较简单，首先不需要用蜂蜡这个实验器材，用烧红的针接触玻璃和云母薄片，并拍摄图像。

从图9中可以看到普通玻璃热传导区域呈现圆形，从图10中可以看到云母薄片热传导区域呈现椭圆形，沿不同方向云母薄片导热性能存在差异，实验证明了云母晶体在导热方面具备各向异性。

图9

图10

2.4 生活中的趣味发现

45分钟的课堂只是物理教学的起点，丰富多彩的生活才是物理教学最有生命力的地方。笔者曾经将红外热成像仪借给多个学生，让他们用红外测温仪观察生活，以下是学生拍摄的一组图片。

图11说明：冰箱侧面的有散热管，用手摸能感觉到发热，但是散热管是隐藏在外壳里面的，红外热成像仪可将散热管的形状和位置都显示出来。

图11

图12说明：生活中用微波炉加热经常发现食物的外面虽然是冷的，里面却很烫。用微波炉加热冰冷的馒头15秒钟，迅速用刀切开做红外成像，图中可以看到内部的温度确实高于表面的温度。

图13说明：不用打开龙头，浴室里的热水管与冷水管也非常容易区分开，就连在墙里面的热水管也无处藏身，如果需要

在墙上钻孔，一定可以避开热水管。

还有学生研究手机或笔记本电脑长时间工作之后的散热情况，有的学生研究人体不同部位温度分布规律，有的学生用红外热成像仪在夜晚寻找小动物。红外热成像仪已成为一款学生手上高端有趣的探究利器。

图12

图13

3 结语

将红外热成像仪应用到物理教学中，不仅能够提升传统实验的视觉效果，还为创新实验提供了硬件条件，更重要的是它为学生探究生活中的物理现象提供了一个有力的工具。随着科技的发展，会有更多器材从专业领域走进民用领域，例如3D打印技术、高速摄影机，物理教师应该敏锐地关注到这些器材的教育价值，在适当的时候引入，充分发挥其优势，为物理课堂服务，以提升物理教学效果，拓展学生视野，逐步提升教育现代化水平。