焦耳定律演示器的製作方法

2023-05-20 21:09:01 1

專利名稱：焦耳定律演示器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種供初中物理教學用於驗證焦耳定律的演示實驗儀器。
焦耳定律實驗是初中物理教學內容的一個重點，但由於沒有理想的實驗儀器，一直構成了物理教學中的一個難點。現行人民教育出版社出版的初中物理教材提供的實驗裝置，是在兩個燒瓶中加滿煤油，在其中分別設置有電熱絲，用膠塞密封后再在其中插上直徑相同的直玻璃管。對電熱絲通電，電熱絲起熱使煤油受熱膨脹，煤油沿玻璃管上升，煤油上升的高低，反映電熱絲產生熱量的多少，以此演示焦耳定律。該裝置存在有明顯的問題(1)感溫物體選用液體(煤油)，受熱膨脹(溫度不超過其沸點)時，體積變化幅度小、速度慢、實驗現象不夠明顯，實驗過程長；(2)「毛細管」(玻璃管)的截面積和「感溫泡」(燒瓶)的容積較大，以致熱惰性較大，靈敏度較低；(3)玻璃容器燒瓶是熱的良導體，再加上燒瓶體表面積較大，實驗過程較長，熱量散失嚴重，因此誤差較大，只能作定性說明而已。再者，目前國內有10多個廠家生產的屬同一機型的最常見的焦耳定律演示器，在底座上豎直地固定著一個白色面板，在面板的中央豎直地貼有一個以「釐米」為基本單位的刻度尺，刻度尺兩旁對稱地固定著兩個「U」形玻璃管，分別與兩個密閉容器相接通。主體部分是一個由「U」形玻璃管和密閉容器組成的氣體溫度計。密閉容器內裝有電熱絲。實驗開始時兩「U」形玻璃管內裝有等高的液柱，對電熱絲通電，密閉容器盒內的氣體受熱膨脹，從而推動「U」形玻璃管內的液柱上升，液柱上升的高低反應電流作功即電熱絲產生熱量的多少。該儀器感溫物質選用氣體，受熱膨脹時體積變化幅度大、速度快，實驗過程短，靈敏度高；密閉容器選用塑料盒(塑料是熱的不良導體)，從而大大減小了熱量散失。但該儀器也存在有明顯的問題(1)定量演示效果差，不符合氣體定壓或定容溫度計的條件，設計原理錯誤。在實驗中，P、V、T三個量都在發生變化，致使液柱上升越高，由液柱差形成的負壓越大，示值誤差越大。液柱上升高的比低的誤差更大。因此該類型裝置定量性很差，也只能作定性說明而已。(2)作為演示儀器可見度太小。刻度尺總高為14cm，玻璃管直徑僅6～7cm,4m遠以外即很難看清液柱位置和刻度，教室內中後排學生根本看不到實驗現象。(3)讀取液柱示值難且誤差大。要使讀取數值準確，必須同時快捷、準確地讀取兩「U」形玻璃管中液柱的位置，但根本不可能做到。在實驗時液柱是處在一直向上運動當中，讀取時視差較大。況且在讀取示值時一人只能讀取一個「U」形管中液柱的位置後再轉向去讀取另一個的，這之間存在有時間差，由此所造成的讀數誤差就更大。(4)中止實驗時，切斷電源稍慢，液柱即從玻璃管中流出，作下一步實驗還要重新加注液體做液柱。總之，以上兩種裝置均不能達到定量演示的效果，性能和實驗效果也較差，操作、使用很不方便，不能滿足教學需要。
本實用新型的目的是提供一套能夠定量、直觀地顯示通電導體產生的熱量與通過導體的電流強度、導體的電阻以及通電時間的關係(即焦耳定律)的，採用透明材料製成的、能與投影器配合、利用投影器對裝置的示值部分有效投影放大後具有足夠清晰可見度的，並具有記憶功能、便於讀取刻度示值的焦耳定律演示器。
本實用新型的目的是這樣實現的如附


圖1所示，在水平放置的透明板上，平行地固定著兩支內徑相同的直玻璃管，玻璃管內裝有一小段彩色液柱，起封閉密閉容器盒內的氣體和根據氣體體積的變化指示刻度值的作用。玻璃管之間是一個透明的刻度尺。兩支玻璃管通過兩根等長的軟膠管分別與兩個等容積的密閉容器盒相連通。密閉容器盒內裝有電熱絲，並備有另外一個進出氣嘴，用於玻璃管中液柱的調零。實驗時，兩個密閉容器的進出氣嘴用同一個止水夾同時封閉住，讀取液柱位置時，打開止水夾，兩個玻璃管中的液柱即同時嗄然停止，便於讀取刻度示值。工作原理是跟密閉容器盒內的電熱絲通電，電熱絲起熱使密閉容器內的氣體受熱膨脹，從而推動液柱沿玻璃管向外移動，位移的多少即反映電流作功所產生熱量的多少。設計原理是基於理想氣體狀態方程
=衡量，由此推出
=衡量，當ΔP一定時(實驗過程中，由於玻璃管是水平放置的，密閉容器盒內的氣壓始終等於外界的大氣壓)，ΔV與ΔT即成正比。又因ΔT與電熱絲產生的熱量成正比，ΔV與玻璃管中液柱的位移ΔL成正比，從而得到液柱的位移與電熱絲產生的熱量成正比，以此來實現定量地演示焦耳定律。
由於採用上述方案，能利用投影器有效地放大其示值部分，極大地提高了實驗現象的可見度，並且操作簡單，便於準確地讀取液柱示值，符合演示教學實驗儀器的基本要求。特別是，由於正確地採用了定壓氣體溫度計的結構原理，在定量地演示焦耳定律的問題上實現了新突破，滿足了教學需要。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖中1、碗狀膠腳2、透明底板3、直玻璃管4、透明刻度尺5、液柱6、玻璃管固定卡7、容器盒8、容器盒蓋9、電熱絲10、接線柱11、密閉容器盒進出氣嘴12、止水夾13、軟膠管14、電阻絲密閉容器盒共3個，裡面分別裝有3Ω、6Ω和6Ω的電熱絲，利用螺絲釘在盒與蓋之間加上密封墊後將其緊緊地固定在一起。在其中的一個內裝6Ω電熱絲的密閉容器盒蓋上的兩接線柱間並聯有一根6Ω的電阻絲(如附圖2所示)。具體的使用方法。
先將帶有直玻璃管和刻度尺的透明底板水平地放在投影器上，並在玻璃管中加入3～4cm長的有色液體。
1、研究通電導體產生的熱量與導體的電阻的關係(此時通過導體的電流強度一定)。如附
圖1所示安裝好儀器，鬆掉止水夾，通過進出氣嘴調整密閉容器盒內的氣壓，使玻璃管中液柱的左端面位於「0」刻度線上，然後用止水夾將兩個密閉容器的進出氣嘴同時密封住。將兩容器中的電熱絲串聯後接人電路，接通電源，液柱開始向右移動，由於左容器盒內電熱絲的阻值是右容器盒的2倍，鬆掉止水夾，液柱停止移動，讀取液柱位置，則上玻璃管中液柱的位移是下玻璃管的2倍，即電熱絲產生的熱量與導體的電阻成正比。
2、研究通電導體產生的熱量與通過導體的電流強度的關係(此時導體的電阻一定)。取下右側內裝3Ω電熱絲的容器盒，換上圖2所示的一個內裝6Ω電熱絲並並聯有6Ω電阻絲的容器盒。將兩容器中的電熱絲串聯後接入電路，接通電源，此時兩容盒中的電熱絲阻值相等，但通過左容器盒電熱絲的電流強度是並聯有6Ω電阻絲的容器盒中電熱絲的2倍，上玻璃管中液柱的位移始終是下玻璃管的(22)4倍，即電熱絲產生的熱量與電流強度的平方成正比。
3、研究通電導體產生的熱量與通電時間的關係。由以上實驗可看出，隨著時間的增加，電熱絲產生的熱量越多，而且液柱的移動速度是均勻的，即電熱絲產生的熱量與通電時間成正比。
權利要求1.一種焦耳定律演示器，其特徵是由幾個內裝電熱絲的密閉容器通過等長的導管分別與呈水平固定和放置的、內徑相同的透明管相連通而構成的、帶有刻度尺的並可用於投影使用的定壓氣體溫度計。
2.根據權利要求1所述的焦耳定律演示器，其特徵是透明管平行且水平地固定在透明材料製成的底板上，透明管之間是透明的刻度尺，透明管內能注入起密封和指示作用的、能水平自由移動的液體，保證被密封的一定質量的氣體在受熱時其壓強始終等於外界環境的大氣壓。
3.根據權利要求1所述的焦耳定律演示器，其特徵是密閉容器是用密封件密封處理的塑料製品，上面標註有內裝電熱絲的阻值，並設有兩個進出氣嘴，一個通過導管與透明管相連通，另一個外接一段軟膠管，實驗時密封住，讀數時將其打開。
專利摘要一種焦耳定律演示器,屬於初中物理教學演示實驗儀器。它是由內裝電熱絲的密閉容器和水平放置的玻璃管構成的氣體定壓溫度計。現象顯示部分的底板、刻度尺、玻璃管均為透明體,便於利用投影器對其進行放大。密閉容器另設有一個進出氣嘴,實驗中讀數時將其打開,盒內氣壓瞬間通過進出氣嘴與外界進行交換,致使液柱兩端的氣壓相等而靜止下來。它成功地解決了焦耳定律實驗定量性差、讀數難且誤差大以及實驗現象可見度太小的問題。
文檔編號G09B23/00GK2348446SQ9825187
公開日1999年11月10日 申請日期1998年12月24日 優先權日1998年12月24日
發明者崔傳海, 仝志賢, 杜反修, 楊念宇, 王永明, 葛海建, 鞏養才 申請人:崔傳海