多功能配套實驗演示器的製作方法

2023-08-01 09:47:51

專利名稱：多功能配套實驗演示器的製作方法
本儀器是一成龍配套的組合式系列教學儀器。適用於小學自然，中學物理多種實驗，演示之教學用。
對本儀器的理解，檢索，審查有參考作用的現有技術有小學自然學科有J218小學聲學實驗盒，J219熱學實驗盒，J221固體體脹演示器，J239電流實驗盒，J106小學實驗室電源(12V/10A)、J334耳解剖放大模型；中學物理有J1202學生電源(9V/1.5A)、J1209教學電源(12V/2A穩壓)、J2137中學力學熱學組合教具、J2258金屬線膨脹演示器、J2259固體縮力演示器、J2368演示電路實驗板、J2369學生實驗演示板、J2273初中電學實驗演示箱、J2443初中電學學生實驗箱、J2439電磁實驗器、J2481能的轉化演示器；中學生理有J3310耳解剖模型。
為了給學生實驗，演示提供新穎、實用、方便、快捷、直觀而有趣的儀器設備，以培養學生的創新精神和實踐能力，全面推進素質教育是設計創造本儀器的目的。
本儀器由主機和附件一磁電演示器及附件二力熱演示器三部分組成。
主機由150W變壓器輸出0-12V/10A的低壓交流電(每隔1.5V可調)，由K2選擇提供所需低壓交流電源。0-6V(每隔1.5V可調)由K3選擇調節所需電壓，經10A50V整流器整流後，接雙刀雙擲開關K4(K4可快速改變電流方向)，輸出端，至直流輸出接線柱，兩接線柱之間並聯亮度指示燈一盞和電流方向指示燈二盞，電流方向指示燈的亮、滅由二隻相反方向的二極體與燈串聯代替開關用；輸出21＋21/3A交流電經3A100V整流器整流，經濾波後擔負向「傻瓜」175後級音響功放集成電路提供正、負各29V的工作電源(如換用155或1100，輸出改17＋17V或26＋26V)；輸出1.1V的小電流經整流濾波後，擔負向話筒前級放大器3AG1提供1.5V的工作電源。(因話筒信號電流較弱，故加3AG1放大，又因只差一可變電容器和一磁棒、線圈就具備簡單的收音功能，因此加上收音功能，還因交流電經整流濾波後的電壓是整流濾波前的峰值，即原交流電壓的1.414倍，所以1.1V經整流濾波後是1.5V直流電。)。
磁性天線用10×100的磁棒(扁的圓的都行)，用七股紗包線繞70圈2、3之間為6圈，(如改用360P空氣單連，線圈改用60圈。全部元件按圖一原理安裝在印刷電路板、面板、底板及後壁板上焊牢即可。安裝完畢調試收音部分3AG1基極可變電阻的值，達到最佳音響效果時確定其值換固定電阻。
附件二是磁電演示器。為方便快捷演示電磁鐵的性質，除主機採用快速改變電流方向外，這裡採用了快速改變繞線方向的措施，方法是用正反兩組線圈繞在同一鐵芯上(鐵芯可用φ14-18的圓鋼，長80-100，外套繞線管，鐵芯應在火中燒紅後經慢慢冷卻後使用，以免產生剩磁)，外套繞線管，用φ0.1至0.2漆包線繞制(不可太粗)，繞好後應達到5Ω左右。兩個線圈的始端接A點，末端分別接B、C點，然後外包絕緣紙，在外包裝上用較粗、較醒目的紅、綠色線(或其它二色線但絕不是導線)分別按AB、AC的實際繞線方向和接線方法連接AB、AC(用以指示繞線方向)，A接電源某一極，B、C分別接單刀雙擲開關K5兩接點，只須撥動K5，即可快速改變繞線方向。其它原件按圖二原理組接即可。(磁電演示器帶熔斷保險絲，主機內未設短路自動斷電保護電路，因為輸出電流較大，無論交流、直流都達10A，實驗電路中導線都較細，即使接錯短路，能燒化實驗導線塑料皮，都燒不壞次級線圈和整流器，採用機外熔斷式保險絲分組保險，以免一組接錯短路，造成「全線停電」影響其它組實驗。)。
附件二由反衝(反作用力)演示器、電熱、固體熱脹冷縮及白熾燈發光原理演示器四部分組成檯燈旋轉飛機式。(四部分都可自成體系單獨存在並獨立使用)。
反衝演示器是臺座旋轉臂式，在雙臂杆上分別安裝一模型飛機，根據螺旋槳向後煽氣產生反作用力推動模型飛機向前運動的原理製成。動力由兩個玩具電動機(也可用剃鬚刀用電動機或其它直流電動機)提供，由於模型飛機是運動的，這就決定了導線接線方式方法必須是電刷式，底盤和立杆是金屬的，可代替一根導線，如是翻沙塑料材料，這根導線應延長至金屬軸承內環，另一根導線由立杆孔穿過接在電刷接線螺絲處。電刷和金屬環能否接觸良好和磨擦力的適宜是保證飛機模型電源是否暢通的關鍵，接觸不良，電源不通或時斷時續，電動機不轉或轉轉停停，飛機模型不能正常向前運動，如接觸過緊會產生很大的摩擦力，當大於反作用力時，雖然電動機正常運轉，由於克服不了摩擦力，模型飛機就不會向前運動，因此電刷就成了此演示器的關鍵部件，電刷做成圖十五形狀，摩擦力大小可調試。只要調節彈簧下端螺栓、即可調節電刷和金屬環之間的摩擦力大小。
線型管狀直觀熱脹冷縮演示器的製作方法是；在φ5.5至7.5的玻璃導管中(實驗室用玻璃管，外徑一般在5.5至7.5之間，選粗的)，安裝並固定一段長100左右的150W電烙鐵絲，電烙鐵絲一端和φ0.7的銅引線直接相連接，另一端和用φ0.7銅線製成的「十」形指針相連、指針和φ0.22的鋼絲繞成的φ2.5左右的彈簧相連，彈簧長18-20，彈簧另一端和φ0.7銅引線相連接，並在「十」形指針跨鋼絲彈簧至銅引線接一螺線形銅引線，在「十」字指針處和銅引線處設法用銅焊牢(先焊引線，後接彈簧)，螺線形銅引線可比銅引線細些，用φ0.3-0.4的就行，銅螺線形引線的螺管比彈簧略大，比玻璃管內徑要小，以伸縮自如不產生摩擦為宜，(這樣做的目的是避免電流大量流過彈簧產生電熱使彈簧彈性因退火消失)。把引線彎鉤並用5牛頓的測力計鉤住銅引線拉，拉力在2.5-4.5牛頓之間，使彈簧伸長10-15(拉力不可過大，否則易使燒紅的電烙鐵絲斷)。用噴燈燒熔玻璃管。在燈罩適當位置貼畫有毫米尺的白紙處，使「十」字形指針對準「0」處即可。也可固定在別的板上獨立使用)。
電熱演示器的製法是將近60-80長的一段電烙鐵絲(100-150W的電烙鐵)，繞成螺線管狀，由引線連接穿過瓷質雙孔管(150W電烙鐵上的此管)，固定於底盤上即可。(也可獨立使用)白熾燈發光原理演示器，用12V5W燈絲為「一」字形的管狀燈(麵包車棚燈，為的是和線型管狀電熱器相類比)，與熱脹冷縮演示器平行固定在燈罩內，中間留有能裝得下蛇形管的空。導線由立杆、蛇形管中穿過，按圖三接線(當然順序變化也可)即可，和主機相接應用插頭，主機的後壁板設交流插座。
如附件二電動機旋轉後不向後煽氣，可改變螺旋槳片扭轉角的方向，還可改變圖三二極體接法(反過來接即可)。
多功能配套實驗演示器與現有技術相比，所具有的優點和積極效果如下一、功能多、可發展現有的教學儀器功能少，有的一件教學儀器僅一項功能、多的也就是兩項，如J106和J1202，只能提供交、直流低壓電源。本教學儀器不僅能提供交、直流電源而且還能提供聲源(具備擴大機功能，比擴大機構造簡單、價格低廉。)快速改變電流方向和電磁鐵線繞方向，還能把看不見的電流大小和電流方向通過指示燈顯示給學生看，除能作和附件相配合作的實驗、演示，還能配合其它教學儀器(和非教學儀器)演示鼓膜的作用，聲音是怎麼產生的，模擬演示耳朵是怎麼聽到聲音的、演示導體、絕緣體、半導體，配合J245演示收音機原理，此外還能用於音樂欣賞、會場擴音、廣播體操擴音、錄音機、錄像機、VCD擴音等多種用途。
二、操作方便、快捷、直觀效果好。
1、小學J221固體體脹演示器演示時，是先讓學生觀察銅球能穿過環，然後把銅球在酒精燈火焰上加熱3-5分鐘後再實驗，球不能穿過環，「反覆實驗演示」，「學生很難抽象出固體熱脹冷縮的性質」，實驗「有一定的困難和危險」「不符合科學研究的程序，對學生沒有說服力。」(《小學自然教學》2000年3期34頁)。本儀器線型管狀固體熱脹冷縮演示器，只需通電3秒，就可明顯地看到指示電熱絲長度的指針在標尺上移動，指示熱膨脹數據，不僅能演示熱脹，還能演示冷縮力，不但能定性，而且能定量。
2、《電熱》一課教材上是讓學生用手去摸接在電池兩極間的細鐵絲是否熱了來認識電熱概念。「《電熱》一課做實驗效果的確不明顯」「學生沒有能直接感知電熱」(《小學自然教學》2000年1、2期合刊76頁)。本儀器電熱演示器只需通電3秒，即可讓學生看到電熱(熱在很大溫度範圍內，單靠視覺是無法感知的，本儀器把熱的溫度控制在視覺可感知的範圍——電熱絲髮紅、變不可見為可見。)。並能點燃紙、煙、香等可燃物。
3、J2439電磁鐵實驗器，實驗「電流方向改變，電磁鐵的磁極也隨之改變」時，改變電流方向的方法是把電磁鐵的兩根導線解下來，調換後再接上，用磁針去檢驗電磁鐵的磁極改變了，(由於費事時間長，若不作筆錄記下上次極性，在下次改變了後再看原極性改變了時，都可能忘了原極性)，學生也看不見電流大小和電流方向，本儀器只須撥動K4，就能瞬間改變電流方向，並可通過電流方向指示燈看到電流方向改變了，同時看到磁針原指向電磁鐵的一極被排斥，另一極被吸引，可反覆撥動K4實驗，直觀有趣，可使學生很快認識「電流方向改變，電磁鐵的磁極也隨之改變」；「電磁鐵的繞線方向改變，電磁鐵的磁極也隨之改變」，目前還沒有這種實驗儀器，本儀器雙線圈電磁鐵和單刀雙擲開關K5相配合，可在瞬間改變繞線方向，由外包裝繞線方向指示線指示繞線方向。效果直觀有趣。
4、《反衝》一課目前還沒有定型的實驗儀器，教材中是在易拉罐或塑料瓶底部等距離朝一個方向用粗錐子扎4—6個孔，用線吊起來，倒入水，水會從孔中朝一個方向噴出，罐就會向與噴水方向相反的方向轉動，由於轉得較快，學生很難看清噴水方向與轉動方向相反，只看見易拉罐周圍有一圈「水裙子」。本儀器反衝演示器可使學生清楚感知煽方向與飛機模型運動方向相反。
三、變枯燥乏味為有趣味。
J218小學聲學實驗盒和J2273初中聲學熱學演示箱，雖有揚聲器，由於無聲源，只能用電池去接觸揚聲器接線，使喇叭發出單調乏味的「嚓—嚓—」聲，本儀器和揚聲器相配合，再配合錄音機，可使揚聲器發出清脆悅耳動聽的歌聲和音樂聲，再問學生這聲音是怎麼產生的，接著實驗、觀察紙盆上的小紙球或泡沫塑料球在揚聲器發聲時會怎樣的，學生會說出小紙球或泡沫塑料球在發聲時會跳動(振動)。


圖1是主機原理圖，所有元件按此圖組裝焊接。圖2是附件一磁電演示器(板)。圖3是附件二力熱演示器電原理圖。圖4是附件二主視圖。圖5是附件二俯視圖。圖6是附件二側視圖。圖7是附件二底盤及其剖視圖。圖8是附件二軸承和軸承套。圖9是附件二絕緣環。圖10是附件二金屬環。圖11是附件二軸承套、絕緣環、金屬環粘合組裝示意圖。圖12是附件二線型管狀固體熱脹冷縮演示器AA、A｀A｀剖視圖(標尺「0」對準指針貼在燈罩固定板上，獨立使貼固定板上。)。圖13是附件二電刷。(底盤、立杆如是絕緣材料，電刷體可全部採用導體材料一體製成，不用塑料)。由塑料、銅材製成，塑料用斜線面表示，銅材料用無斜線面表示。圖14是附件二立杆，下端接底盤，上端安軸承套，頂端安蛇形管固定節，三孔上兩孔固定電刷，下一孔穿導線。圖15是附件二臂杆(2根)。圖16是附件二螺旋槳(2片)，中心孔兩側各和中心片之間扭轉30°-35°角(朝同一方向)。圖17是附件二電熱演示器固定片。圖18是附件二飛機模型(2架、紙質、塑料質均可)。圖19是電熱演示器。圖20是主機印刷電路板。圖21是主機直流電源整流器固定板和鋁質散熱片(40×40×1)。鋁用斜線面表示圖22是主機面板。圖23是主機底板和後壁板。圖24是主機蓋板(上、左、右)圖25是主機蓋板固定角鐵(分左右兩側之區別，2件)。圖26是主機面板固定角鐵(分左右兩側之區別，2件)。圖27是附件二白熾燈發光原理演示器12V5W「一」形麵包車棚燈固定座。圖28是附件二蛇形管固定節。圖29是主機印刷電路板，整流器固定板固定角鐵(2付4件)圖30是主機磁棒固定角鐵固定架。
實現發明或實用新型的最好方法一、電磁鐵實驗演示及磁電演示1、將電磁鐵兩根導線分別接直流輸出紅、黑接線柱，把電壓選擇開關K3旋至3、4.5、6V任意檔，打開電源開關K1、將電磁鐵和大頭針(或小鐵釘)接近，電磁鐵會吸住大頭針(小鐵釘)，提起來，關斷電源，指示燈滅，大頭針(或小鐵釘)全部落下，反覆實驗，實驗說明電磁鐵的磁性是由電流產生的，有電流通過，電磁鐵有磁性，無電流通過，電磁鐵磁性消失(無磁性)。
2、接著作，打開電源開關K1，將K3由1.5、3、4.5、6V逐檔實驗，會發現指示電流大小的指示燈會發出不同的亮度指示通過電磁鐵的電流大小，電磁鐵的吸鐵量也會變化，實驗中學可直觀地認識通過電磁鐵的電流越大(強)，電磁鐵的磁力也越大(強)，反之越小(弱)。
3、接著作，把磁針靠近電磁鐵某一端，把K3旋至6V檔，打開電源開關K1可見磁針的某一極會指向電磁鐵，指示電流方向的一盞指示燈亮，指示此時的電流方向。撥動電流方向轉換開關K4，可見原來指向電磁鐵的磁針一極被排斥，另一極被吸引指向電磁鐵，原來指示電流方向的指示燈滅，另一方向指示燈亮，指示出電流方向已改變，可反覆操作實驗，實驗中學生可清楚地看到；電流方向改變，電磁鐵的極性也隨之改變。
4、接著作，撥動繞線方向轉換開關K5，可見磁針的一極被排斥，另一極被吸引指向電磁鐵，反覆實驗，學生通過電磁鐵外包裝的繞線方向指示線和實驗中觀察到的現象，可直觀認識改變電磁鐵的繞線方向，電磁鐵的極性也隨之改變。
和附件一相配合可完成全部磁電實驗和導體、半導體、絕緣體實驗。可演示電能轉變為磁能和光能。
二、電熱、白熾燈發光原理演示實驗。主機和附件二相配合，將附件二插頭插主機交流輸出插座，把交流選擇開關K2旋至6V，把K6撥至電熱檔，可見電熱演示器發熱變紅，並可點燃紙菸，(如不發紅可逐漸升高電壓至發紅止)。實驗中學生可在短時間內(3-4秒)感知電熱(電能轉變為熱能)。接著讓學生先想電熱絲的角度繼續升高會怎樣？將K6撥至燈(用燈絲代替電熱絲實驗)，把電壓選擇開關撥至4.5V檔、並由此檔逐步升高，直至12V，學生可直觀地認識到白熾燈是燈絲熾熱而發亮(熱能轉變為光能、電能轉變為光能)。
三、反衝演示把附件二插頭插主機交流輸出，把K6撥至反衝檔，打開K1接通電源，把交流電壓調節開關撥至6V檔，螺旋槳旋轉向後煽氣(如反轉不向後煽氣，可改變底座內二極體接線方向)，模型飛機由於有臂杆拉著作圓周運動(如螺旋槳只轉動而模型飛機不運動調整電刷接觸力度，如螺旋槳轉速低，調整K2檔位)。可演示電能變機械能，離心力、向心力、模擬地球圍繞太陽運轉。
四、固體熱脹冷縮演示把附件二插頭插主機交流輸出插座，把K6撥至熱脹冷縮檔，K2撥至7.5V或9V檔，打開電源開關K1接通電源3秒內，會看到指針由毫米標尺「0」逐步向右移動，指示出電熱絲受熱後膨脹長度，3-4秒後關斷電源，電熱絲冷卻往回縮，可見指針逐漸向「0」位移動，可反覆實驗，學生在實驗中可直接觀察到固體受熱體脹；受冷體縮。可演示J2259固體縮力演示器之演示。(注意實驗時電壓不要加的過高，以能看到指針移動為宜，如加熱到亮紅易損壞或縮短使用壽命)。
五、聲音是物體振動產生的，聲音——振動互相轉變演示。
1、把J218小學聲學實驗盒8Ω揚聲器4隻一組串聯，然後4組並聯(這樣其阻抗仍是8Ω)，共16隻，3人一組，可供48名學生實驗演示。學生在教師適當的導語下，帶著興趣，觀察揚聲器發出各種聲音時，其紙盆上的小紙球(泡沫塑料球)在上下跳動(振動)，學生可在輕鬆愉快的課堂氣氛中認識聲音是由物體振動產生的。
2、把揚聲器對向振動膜，當揚聲器發聲時可見吊在振動膜中央的小球在振動；學生可直觀地感知聲音也能使物體產生振動。(聲音、振動互相轉變)，人中耳的鼓膜的作用就是把聲音(聲波)變振動。
3、可模擬耳朵是怎樣聽到聲音的實驗。利用本機音響功放功能，用一隻揚聲器代表鼓膜，接音頻輸入，另一隻揚聲器代表人的大腦聽覺腦細胞，導線、功放器代表聽神經。當對著代表鼓膜的揚聲器講話和發出各種聲音時，揚聲器的紙盆象鼓膜的作用產生振動。由導線和功放器代表的聽神經傳給大腦，代表大腦的聽覺細胞，由揚聲器發出聲音，表示聽到的聲音了。這一實驗中有聲音變振動，振動變聲音，電能變聲能，聲能變電能。
權利要求
多功能配套實驗演示器多功能配套實驗演示器的技術特徵是1、主機除有輸入電源220V/50HZ，輸出0～12V/10A交流電源，0～6V/10A直流電源外，還有音響後級功率放大功能，能輸出額定功率75W的音頻電流和話筒前級放大功能，直流電流方向快速轉換功能及電流大小、電流方向指示功能。
2.電磁鐵採用兩組繞線方向不同的線圈繞制而成、並通過外包裝上紅、綠色線顯示內部實際繞線方向，與單刀雙擲開關相配合，實現快速改變繞線方向之目的。
3.臺座旋轉架式反衝演示器，利用玩具電動機作模型飛機的動力，利用螺旋槳向後煽氣產生反作用力推動模型飛機向相反的方向運動，利用摩擦力小的軸承作旋轉架，為保持平衡，採用雙側對稱式。採用電刷傳電的方式為運動的模型飛機供電。
4.固體熱脹冷縮演示器，改傳統的體外酒精燈加熱為電直接在導體內產生熱，使固體體脹，由指針在彈簧彈力的作用下拉動指針移動並不使電熱絲彎曲，由指針在標尺上指示出體脹數據，電熱絲、指針、彈簧及引線安裝在玻璃管中，兩端引線與玻璃管(燒粘)粘合密封起保護固定作用。
5.電熱演示器是將一段60～80長的150W左右的電烙鐵絲繞製成螺旋狀，兩端用導線連接，穿過雙孔瓷管固定制成的。以上五項是多功能配套實驗演示器的基本的和主要的特徵，要求保護的是以上五種主、附件的製作方法。
全文摘要
本儀器是一種多功能主附配套設備,適用於小學自然、中學物理實驗、演示教學,能把看不見摸不著的東西展現出來。主要技術特徵和用途:輸入有220V/50Hz交流電、收音、話筒、錄音機、錄像機、VCD音頻弱小信號。輸出有0～6V/10A直流、0～12V/10A交流、均1.5V可調,額定功率75W音頻輸出。適用於電流大小、方向、電磁、電熱、聲振互變、聲電互變、固體熱脹冷縮、反衝(反作用力)、鼓膜的作用等多項實驗和演示。
文檔編號G09B23/06GK1330351SQ001063
公開日2002年1月9日 申請日期2000年6月15日 優先權日2000年6月15日
發明者李恆春 申請人:李恆春