專利名稱：焦耳定律最新演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種物理儀器，尤其是關(guān)于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(shè)計，雖然對原有實驗技術(shù)有一定的改進，但仍有一定的缺陷。其缺點表現(xiàn)在設(shè)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(nèi)注液手續(xù)十分不簡便；若斷電時間延遲，則驗溫管內(nèi)的液體將會溢出管外；若斷電后驗溫管與電量熱器忘了分離，液體將回流進入橡皮管節(jié)，盡至流入電量熱器的內(nèi)筒；后兩者都會影響后繼實驗的進行。
本實用新型的目的是保留原型設(shè)計優(yōu)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(yán)格地反映與驗證焦耳定律；全班同學(xué)都可直接觀察實驗現(xiàn)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(yōu)點1.擴大板面的觀察有效面積；2.操作簡單方便得多；3.保證后繼實驗的順利進行；4.增加了實用性。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)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，而是采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(yīng)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(jié)約材料，也就是為了降低儀器的生產(chǎn)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(yīng)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制作也可勉強允許。
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(guān)(如意開關(guān))、氣泡水準(zhǔn)、輔助線裝置、有規(guī)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(nèi)筒充滿空氣作為主要吸熱物質(zhì)。電量熱器的橡皮塞上插一帶閥直通玻管作為調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)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(jié)與驗溫管相連接，由于驗溫管中有液滴與大氣隔離，使內(nèi)筒成為一個封閉系統(tǒng)。因此，電量熱器內(nèi)筒氣體的溫度變化是一個等壓變化過程。由于采用空氣作吸熱物質(zhì)，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(nèi)筒，有利于后繼實驗的進行。各驗溫管是處于同一平面里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(dǎo)板附導(dǎo)桿滑輪組成，亦可直接由橡皮筋和導(dǎo)板附滑塊制作而成)。通電后，由于筒內(nèi)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(gòu)成三(或四)個相似三角形。根據(jù)相似三角形對應(yīng)邊互成比例的性質(zhì)，可用幾何線段的長度作為定量表示熱膨脹的大??；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(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)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(guī)律，即焦耳定律。
以下結(jié)合附圖作進一步描述。
附


圖1 物質(zhì)受熱自然升溫與時間的關(guān)系曲線實驗應(yīng)選取在近似直線一段范圍內(nèi)，即時間為△t1、溫升為△T1的一段范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)溫升與時間成正比?！鱍／△t表示物質(zhì)吸熱的快慢。幾條曲線表示相同的物質(zhì)在相同時間內(nèi)吸熱不同的情況，溫度升高在后段不與時間成正比，后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(nèi)徑應(yīng)相等，選用3毫米左右，采用學(xué)生熟悉的水平直管形式，在其需要的有效長度以外的適當(dāng)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(nèi)放一滴紅水(3)，兩端彎成直角，二球(1)在直管(2)上方。制作時應(yīng)將玻管的長度量足，在有效長度以外，另外多加16～20厘米，作為吹二個玻璃球(1)、三處彎管并留有余頭連接橡皮管節(jié)(6)和往外排液之需。錐形瓶(4)內(nèi)的氣體(5)在驗溫管(2)加液滴后的溫度變化是一個等壓變化過程，所測小范圍的溫度相對變化既靈敏又準(zhǔn)確。錐形瓶(4)內(nèi)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(diào)節(jié)閥(11)。玻管(1)通過橡皮管節(jié)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(yīng)有橡皮或塑料墊圈防止漏氣。用導(dǎo)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(nèi)筒(6)用銅、鋁、硬質(zhì)塑料、玻璃……等材料制作，套在電木蓋(4)的小園臺上。外筒(7)亦可用上述材料制作，套在電木蓋(4)的大園臺上(軟質(zhì)塑料外筒應(yīng)該用細線扎緊)。內(nèi)筒(6)與外筒(7)之間及內(nèi)筒(6)里充滿空氣(8)。內(nèi)筒在驗溫管加液滴后成封閉系統(tǒng)。內(nèi)筒(6)與外筒(7)可用保溫杯的膽代替，若如此，應(yīng)注意電木蓋(4)只需一個內(nèi)園臺而且大小要合適。
(c)為電木蓋(4)俯視圖。(14)為絲桿附螺母及墊圈，用于固定在示教板上。園孔(12)可安裝橡皮塞。銅棒插孔(13)。電木蓋C1的里口朝上，比較適用保溫杯的膽代替電量熱器的內(nèi)、外筒。電木蓋C2的里口朝下，適用金屬內(nèi)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?？蛇x用于RARBRCRD＝1 3/4 1/2 1如此使四個電量熱器中的受熱物質(zhì)完全相同，熱量近似按相同比例分配給各物質(zhì)，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(dāng)選用。
附圖4(a)焦耳定律最新演示儀示意圖。1.電源 2.開關(guān) 3.電流表 4.可變電阻R′ 5.分流電阻R可調(diào)電阻值 6.電阻RA7.電阻RB8.電阻RC9.電阻RD10.導(dǎo)板附導(dǎo)桿及彈簧 11.電量熱器 12.氣泡水準(zhǔn) 13.調(diào)節(jié)閥(用于液滴定位) 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(nèi)且相互平行并保持水平。A、B二管的距離等于B、C二管的距離，且等于C、D二管的距離，也等于從E點到D管的距離?？芍狤A0＝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并且A0A1＝2C0C1A0A2＝2C0C2A0A3＝2C0C3B0B1＝ 3/2 C0C1B0B2＝ 3/2 C0C2B0B3＝ 3/2 C0C3A0A3＝4D0D3＝22D0D3A0A′＝4D0D′＝22D0D′附圖5 如意開關(guān)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(采用按手電鍵，按第一次為通路，按第二次為斷路，如此后繼重復(fù)通路或斷路)，而且三只跑表同時啟動；先后依次拉下拉鏈(1)、(2)、(3)，則在A1、A2、A3三個位置的跑表依次暫時停止運轉(zhuǎn)(在再一次進行綜合演示實驗前要用手指使表針回復(fù)原位)；拉下拉鏈(4)，則電路斷流；聯(lián)合拉手(8)，同時控制拉鏈(3)、(4)；按柱(9)分別有導(dǎo)板(7)導(dǎo)向與彈簧(6)復(fù)原裝置。圖中導(dǎo)板(7)的前后倒套是為了便于觀察與作圖，用時應(yīng)正套。按手電鍵所有附圖均未畫出。另外，有如意開關(guān)，可考慮刪減圖4開關(guān)(2)。
本實用新型在準(zhǔn)備實驗(或演示實驗)前后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(yīng)用電橋和標(biāo)準(zhǔn)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；然后檢查電路各部分是否完好，并調(diào)好合適的電流強度，此后不再改變電流和儀器中電路各部結(jié)構(gòu)既除了使用開關(guān)以外就不變動電路任何部分，短期內(nèi)若換電源，必須再調(diào)節(jié)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(zhǔn)的水平狀況是否一致；然后打開調(diào)節(jié)閥，用滴管向一只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(nèi)壁潤濕，然后升高這端，液滴再倒回到起始點，隨即關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，這時液滴若繼續(xù)移動，則表示量熱器內(nèi)筒的封閉性不良，應(yīng)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，并恢復(fù)水平位置。依次完成其它各管的注液手續(xù)與檢查相應(yīng)的內(nèi)筒的氣密性。最后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(dǎo)板、彈性卷鋼加黃油或機油，并移動導(dǎo)桿或滑塊，試驗其靈活性能。
4.準(zhǔn)備三只跑表，表針置零安好位置備用。拉下如意開關(guān)的拉鏈(5)，接通電路的同時，三只跑表都啟動。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(dǎo)桿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(shù)據(jù)，演示實驗時要引導(dǎo)學(xué)生注意觀察這一特點，若不合乎實驗要求，必須找出故障所在并加以排除；另外要觀察A管液滴從A0開始到A1、A2、A3三點位置的時刻，并順手依次分別拉下如意開關(guān)的拉鏈(1)、(2)和聯(lián)合拉手(8)。三只跑表分別測定液滴移到各等分段終點的時間；若有一液滴到達最后分段的終點時，就應(yīng)立即斷電，并打開調(diào)節(jié)閥。
5.將準(zhǔn)備實驗(或演示實驗)所測得電流強度、時間和已測的電阻數(shù)值記入下表作為分析綜合的依據(jù)(這里提供參考例)<
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(chǎn)生的熱量也是432，從而可知通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)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(chǎn)生的熱量是D的4(即22)倍，從而可知通電導(dǎo)體產(chǎn)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，三只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(shù)關(guān)系和所放熱量的倍數(shù)關(guān)系對應(yīng)相等，從而可知通電導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與通電的時間成正比。
結(jié)論即焦耳定律。
公式Q＝I2Rt(焦耳)6.斷電后打開電量熱器的外筒和內(nèi)筒，加快散熱，使電量熱器的電阻冷卻到與周圍環(huán)境同樣溫度時方可進行后一次實驗。
如果本儀器用后將長期不用，就用適量清水洗滌驗溫管幾次；應(yīng)注意液體不要進入橡皮管節(jié)或電量熱器的內(nèi)筒，然后用抹布擦干外部再行收藏。
權(quán)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，其特征在于它是由四個電量熱器、四條驗溫管、氣泡水準(zhǔn)、如意開關(guān)及有規(guī)則圖形的襯底板組成。四條驗溫管各和相應(yīng)的電量熱器相連接，設(shè)置在同一平面內(nèi)且互相平行，分布有規(guī)律，保持水平、間隔相等。
2.如權(quán)利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特征在于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(quán)利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特征在于電量熱器構(gòu)造的物質(zhì)完全相同，而電阻絲接點不同而有不同的電阻值。本設(shè)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(quán)利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特征還在于從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(gòu)成四個相似或近似相似的三角形，△ED0D′～△EC0C′～△EB0B′～△EA0A′其對應(yīng)邊互成比例，為1234(22)。
5.如權(quán)利要求1所述的焦耳定律最新演示儀，其特征還在于背后裝有如意開關(guān)，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(guī)律排布并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(zhǔn)、如意開關(guān)及有規(guī)則圖形的襯底板等組成。驗溫管仍采用初中學(xué)生熟知的水平直管加注液滴的形式，只是驗溫管的兩端制成二個二孔空心玻璃球作為保險球。它保留原型設(shè)計的優(yōu)點，克服其缺點，并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(yōu)先權(quán)日1991年10月21日
發(fā)明者宋顯渭 申請人:宋顯渭