焦耳定律最新演示儀的製作方法

2023-07-01 18:00:06

專利名稱：焦耳定律最新演示儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種物理儀器，尤其是關於焦耳定律的一種綜合演示實驗的儀器。
「焦耳定律綜合演示儀」(88219894.7號專利申請)原型設計，雖然對原有實驗技術有一定的改進，但仍有一定的缺陷。其缺點表現在設計的板面未能充分被利用，影響觀察的有效面積；向驗溫管內注液手續十分不簡便；若斷電時間延遲，則驗溫管內的液體將會溢出管外；若斷電後驗溫管與電量熱器忘了分離，液體將回流進入橡皮管節，盡至流入電量熱器的內筒；後兩者都會影響後繼實驗的進行。
本實用新型的目的是保留原型設計優點(如將分散的實驗組合成一個綜合演示儀；能直觀地相對嚴格地反映與驗證焦耳定律；全班同學都可直接觀察實驗現象；演示實驗所需進行時間較短等)的條件下，克服其缺點，而且增加以下的優點1.擴大板面的觀察有效面積；2.操作簡單方便得多；3.保證後繼實驗的順利進行；4.增加了實用性。
本實用新型的目的是這樣實現的，電路部分可以與原型相同，亦可以考慮增加一個電阻值為電量熱器A的電阻值的四分之三的電量熱器；驗溫管改變中凹形式，而是採用直玻璃管兩端有玻璃球作保險球，改液柱為液滴。若用四個電量熱器，相應就需四條驗溫管。驗溫管的有效長度之比為4321。電量熱器的電阻值比因電路分流點的位置改變而有不同的要求。若分流點在電量熱器A、B之間(見圖4)，則RA:RB:RC:RD=1:3:2:1;若分流點在電量熱器B、C之間，則其比為1 3/4 21；若分流點在電量熱器C、D之間，則其比為1 3/4 1/2 1，亦即4324。為了節約材料，也就是為了降低儀器的生產成本與銷售價格，電路分流點選在電量熱器C、D之間最適宜。這樣選擇，電量熱器與分流電阻的總電阻最小，如此可以降低電源的需要電壓而減少電池的使用。本實用新型亦作這樣選擇。再者刪減附圖4的電量熱器B及相應的驗溫管，亦可達到上述目的；但是為了圖形的整齊勻稱，按附圖4製作也可勉強允許。
本實用新型是由三(或四)個電量熱器、分流電阻(可變值)、可變電阻、三個電流表、電源、開關(如意開關)、氣泡水準、輔助線裝置、有規則排布的三(或四)個驗溫管及有圖形的襯底板等組成。通過電量熱器A、B、C的電流強度相等，使A的電阻是C的二倍、B的電阻是C的 3/2 倍、A與D的電阻相等，通過A、B、C的電流強度是D的二倍。電量熱器的內筒充滿空氣作為主要吸熱物質。電量熱器的橡皮塞上插一帶閥直通玻管作為調節閥，用以調節驗溫管中液滴的起始位置。電量熱器依次通過直角玻管、橡皮管節與驗溫管相連接，由於驗溫管中有液滴與大氣隔離，使內筒成為一個封閉系統。因此，電量熱器內筒氣體的溫度變化是一個等壓變化過程。由於採用空氣作吸熱物質，使實驗時間大大縮短；因驗溫管兩端都有保險球，故此可以避免液滴被排出管外或被吸入電量熱器內筒，有利於後繼實驗的進行。各驗溫管是處於同一平面裡水平平行放置且分隔的距離相等。通電前，各驗溫管的液滴在EA。連線上，從E點引一條活動輔助線(可用線系重錘跨過滑輪牽引或彈簧牽引和導板附導杆滑輪組成，亦可直接由橡皮筋和導板附滑塊製作而成)。通電後，由於筒內氣體受熱膨脹，各驗溫管的液滴移動到A′、B′、C′、D′。液滴移動的距離與輔助線及EA。連線構成三(或四)個相似三角形。根據相似三角形對應邊互成比例的性質，可用幾何線段的長度作為定量表示熱膨脹的大小；另外，有跑表記錄液滴通過襯底圖形各段距離的時間。通過分析綜合而知通過導體產生的熱量與導體的電阻成正比，與通過的電流強度的平方成正比，與通電的時間成正比的規律，即焦耳定律。
以下結合附圖作進一步描述。
附


圖1 物質受熱自然升溫與時間的關係曲線實驗應選取在近似直線一段範圍內，即時間為△t1、溫升為△T1的一段範圍內。在此範圍內溫升與時間成正比。△Q／△t表示物質吸熱的快慢。幾條曲線表示相同的物質在相同時間內吸熱不同的情況，溫度升高在後段不與時間成正比，後段為曲線顯著的彎曲部分。
附圖2 靈敏演示驗溫計 用玻璃管或無色透明塑料管制成。其內徑應相等，選用3毫米左右，採用學生熟悉的水平直管形式，在其需要的有效長度以外的適當位置，放到火焰上吹成直徑15毫米的具有兩孔的空心玻璃球(1)。直管(2)水平放置，內放一滴紅水(3)，兩端彎成直角，二球(1)在直管(2)上方。製作時應將玻管的長度量足，在有效長度以外，另外多加16～20釐米，作為吹二個玻璃球(1)、三處彎管並留有餘頭連接橡皮管節(6)和往外排液之需。錐形瓶(4)內的氣體(5)在驗溫管(2)加液滴後的溫度變化是一個等壓變化過程，所測小範圍的溫度相對變化既靈敏又準確。錐形瓶(4)內氣體(5)若溫度變化，液滴(3)只在二球(1)之間移動，既不會流入錐形瓶(4)，亦不會溢出管外。
附圖3 (a)(b)為電量熱器主視圖。電木蓋中部裝有橡皮塞(2)，橡皮塞(2)中部插一直角玻璃管(1)，再插一調節閥(11)。玻管(1)通過橡皮管節與驗溫管相連接；在電木蓋(4)上有兩個小孔可安裝兩端帶絲扣的小銅棒(5)，(a)與(b)的銅棒長度不同。銅棒(5)一端固定在電木蓋(4)上，應有橡皮或塑料墊圈防止漏氣。用導線(3)與銅棒(5)相連；另一端用六角小螺母(10)固定電阻絲(9)。內筒(6)用銅、鋁、硬質塑料、玻璃……等材料製作，套在電木蓋(4)的小園臺上。外筒(7)亦可用上述材料製作，套在電木蓋(4)的大園臺上(軟質塑料外筒應該用細線紮緊)。內筒(6)與外筒(7)之間及內筒(6)裡充滿空氣(8)。內筒在驗溫管加液滴後成封閉系統。內筒(6)與外筒(7)可用保溫杯的膽代替，若如此，應注意電木蓋(4)只需一個內園臺而且大小要合適。
(c)為電木蓋(4)俯視圖。(14)為絲杆附螺母及墊圈，用於固定在示教板上。園孔(12)可安裝橡皮塞。銅棒插孔(13)。電木蓋C1的裡口朝上，比較適用保溫杯的膽代替電量熱器的內、外筒。電木蓋C2的裡口朝下，適用金屬內筒與塑料外筒。
(d)為 1/2 R、 3/4 R、 3/8 R、 2/3 R′、 1/3 R′的示意圖。從電阻絲(阻值為R)b、c二點接線即得 1/2 R的電阻；從電阻絲a、d二點接線，可得 3/4 R的電阻。可選用於RARBRCRD＝1 3/4 1/2 1如此使四個電量熱器中的受熱物質完全相同，熱量近似按相同比例分配給各物質，只需從氣體熱膨脹的大小就可以比較放熱多少。同理可知Ref＝ 3/8 R R5x′＝ 2/3 R′ Ry2′＝ 1/3 R′ 可在分流點位置不同時適當選用。
附圖4(a)焦耳定律最新演示儀示意圖。1.電源 2.開關 3.電流表 4.可變電阻R′ 5.分流電阻R可調電阻值 6.電阻RA7.電阻RB8.電阻RC9.電阻RD10.導板附導杆及彈簧 11.電量熱器 12.氣泡水準 13.調節閥(用於液滴定位) 14.跑表 A′、B′、C′、D′為四驗溫管中液滴移動過程的位置，取R′＝0～20歐姆，RA＝RD＝R＝2歐姆、RB＝ 3/4 R＝ 3/2 歐姆、RC＝ 1/2 R＝1歐姆、使I＝1安、I1＝I2＝0.5安。四驗溫管在同一平面內且相互平行並保持水平。A、B二管的距離等於B、C二管的距離，且等於C、D二管的距離，也等於從E點到D管的距離。可知EA0＝2EC0，EA0＝4ED0EB0＝3ED0EC0＝2ED0另外，A0A1＝A1A2＝A2A3B0B1＝B1B2＝B2B3C0C1＝C1C2＝C2C3D0D1＝D1D2＝D2D3再者同位角相等、又有一公共角。
故ΔEA0A1～ΔEB0B1～ΔEC0C1～ΔED0D1ΔEA0A2～ΔEB0B2～ΔEC0C2～ΔED0D2ΔEA0A3～ΔEB0B3～ΔEC0C3～ΔED0D3並且A0A1＝2C0C1A0A2＝2C0C2A0A3＝2C0C3B0B1＝ 3/2 C0C1B0B2＝ 3/2 C0C2B0B3＝ 3/2 C0C3A0A3＝4D0D3＝22D0D3A0A′＝4D0D′＝22D0D′附圖5 如意開關示意圖，即是電鍵與跑表的同時啟動與分別停止裝置。安裝在儀器背面，向儀器正面伸出按爪A1、A2、A3、A4，向下露出拉鏈(1)、(2)、(3)、(4)、(5)。拉下拉鏈(5)，電路接通(採用按手電鍵，按第一次為通路，按第二次為斷路，如此後繼重複通路或斷路)，而且三隻跑表同時啟動；先後依次拉下拉鏈(1)、(2)、(3)，則在A1、A2、A3三個位置的跑表依次暫時停止運轉(在再一次進行綜合演示實驗前要用手指使錶針回復原位)；拉下拉鏈(4)，則電路斷流；聯合拉手(8)，同時控制拉鏈(3)、(4)；按柱(9)分別有導板(7)導向與彈簧(6)復原裝置。圖中導板(7)的前後倒套是為了便於觀察與作圖，用時應正套。按手電鍵所有附圖均未畫出。另外，有如意開關，可考慮刪減圖4開關(2)。
本實用新型在準備實驗(或演示實驗)前後及實驗過程中的幾點注意事項1.對新到儀器使用前必須應用電橋和標準定值電阻測定三(或四)個電量熱器的電阻(不能用萬用表粗測)，它們的電阻值比是否合乎4(3)24和分流電阻值的大小是否合適；要用新電源測量各電流表的量程和精確度；然後檢查電路各部分是否完好，並調好合適的電流強度，此後不再改變電流和儀器中電路各部結構既除了使用開關以外就不變動電路任何部分，短期內若換電源，必須再調節合適的電流強度，要求使I1＝I2＝ 1/2 I。
2.使用前要檢查驗溫管、氣泡水準的水平狀況是否一致；然後打開調節閥，用滴管向一隻驗溫管的開口一端注入一滴紅色液體，再降低連接電量熱器一端，液滴沿管道流到另一端，使管內壁潤溼，然後升高這端，液滴再倒回到起始點，隨即關閉調節閥，這時液滴若繼續移動，則表示量熱器內筒的封閉性不良，應加以排除故障；液滴若能立即停止移動，表示它的氣密性良好，並恢復水平位置。依次完成其它各管的注液手續與檢查相應的內筒的氣密性。最後使活動輔助線與液滴的起始位置連接線在EA0上對齊。
3.向滑輪的軸、導板、彈性卷鋼加黃油或機油，並移動導杆或滑塊，試驗其靈活性能。
4.準備三隻跑表，錶針置零安好位置備用。拉下如意開關的拉鏈(5)，接通電路的同時，三隻跑表都啟動。迅速觀察電流表的電流強度是否合乎要求；特別要注意移動導杆或滑塊使活動輔助線能跟隨各驗溫管的液滴向右(圖4a)或向左(圖4b)移動相一致；如果各液滴始終(或近似)保持成一條直線，就合乎實驗的要求，不必細看具體位置的數據，演示實驗時要引導學生注意觀察這一特點，若不合乎實驗要求，必須找出故障所在並加以排除；另外要觀察A管液滴從A0開始到A1、A2、A3三點位置的時刻，並順手依次分別拉下如意開關的拉鏈(1)、(2)和聯合拉手(8)。三隻跑表分別測定液滴移到各等分段終點的時間；若有一液滴到達最後分段的終點時，就應立即斷電，並打開調節閥。
5.將準備實驗(或演示實驗)所測得電流強度、時間和已測的電阻數值記入下表作為分析綜合的依據(這裡提供參考例)<
演示分析(一)作電阻對比比較A、B、C，它們的電阻是432，其它條件相同，產生的熱量也是432，從而可知通電導體產生的熱量與導體的電阻成正比；
(二)作電流對比比較A、D，A的電流強度是D的兩倍，其它條件相同，A產生的熱量是D的4(即22)倍，從而可知通電導體產生的熱量與電流強度的平方成正比；(三)作時間對比從四個電量熱器中任選一個，如選A，三隻跑表分別記錄液滴從A0點開始移動到達A1、A2、A3三點的時間，時間的倍數關係和所放熱量的倍數關係對應相等，從而可知通電導體產生的熱量與通電的時間成正比。
結論即焦耳定律。
公式Q＝I2Rt(焦耳)6.斷電後打開電量熱器的外筒和內筒，加快散熱，使電量熱器的電阻冷卻到與周圍環境同樣溫度時方可進行後一次實驗。
如果本儀器用後將長期不用，就用適量清水洗滌驗溫管幾次；應注意液體不要進入橡皮管節或電量熱器的內筒，然後用抹布擦乾外部再行收藏。
權利要求1.一種焦耳定律綜合演示儀為焦耳定律最新演示儀，其特徵在於它是由四個電量熱器、四條驗溫管、氣泡水準、如意開關及有規則圖形的襯底板組成。四條驗溫管各和相應的電量熱器相連接，設置在同一平面內且互相平行，分布有規律，保持水平、間隔相等。
2.如權利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特徵在於驗溫管兩端有二個空心帶二孔的玻璃小球，如此可以保證實驗的順利進行。
3.如權利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特徵在於電量熱器構造的物質完全相同，而電阻絲接點不同而有不同的電阻值。本設計的電路分流點在電量熱器C、D之間，電量熱器電阻值比RARBRCRD＝13／41／21。
4.如權利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特徵還在於從E點到四條驗溫管的液滴起始位置D0、C0、B0、A0的直連線EA0與四條驗溫管的液滴因氣體膨脹而移動的距離D0D′、C0C′、B0B′、A0A′及E點和液滴移動過程的位置D′、C′、B′、A′的直連線或近似直連線ED′、EC′、EB′、EA′共同構成四個相似或近似相似的三角形，△ED0D′～△EC0C′～△EB0B′～△EA0A′其對應邊互成比例，為1234(22)。
5.如權利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特徵還在於背後裝有如意開關，可方便控制實驗操作。
專利摘要焦耳定律綜合演示儀—1型，是由有規律排布並有一定電阻值比的三(或四)個電量熱器、三(或四)條跟電量熱器相連接的驗溫管、可變電阻、分流電阻、電源、三個電流表、輔助線裝置、氣泡水準、如意開關及有規則圖形的襯底板等組成。驗溫管仍採用初中學生熟知的水平直管加注液滴的形式，只是驗溫管的兩端製成二個二孔空心玻璃球作為保險球。它保留原型設計的優點，克服其缺點，並擴大了觀察板面的有效面積，操作簡易方便，大大增加了實用性，是一種改進的焦耳定律綜合演示儀。
文檔編號G09B23/18GK2131163SQ91227470
公開日1993年4月28日 申請日期1991年10月21日 優先權日1991年10月21日
發明者宋顯渭 申請人:宋顯渭