CN102789727B - 盖吕萨克定律演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是弥补现有技术的不足，提供了一种用于演示盖吕萨克定律的演示装置，能直观表现出热交换的特性，提高演示精度。整个演示装置安全无毒，同时也尽可能降低生产成本。为达到所述目的，本发明包括水槽，所述水槽中设有温度感应定位圈，温度感应定位圈内固定有温度计或温度感应元件，所述水槽中设有通过连接管连接的容器筒和变量测定器，水槽的高度高于实验时两个注射器内的的气体空间，所述水槽侧面设有排水孔。通过所述结构，本发明容器筒和变量测定器的容积能够调节，使两者内的气压始终恒定。用室温下的“冷”水和温度在100℃以内的热水改变气体温度，从而演示盖吕萨克定律。

Description

盖吕萨克定律演示装置

技术领域

本发明涉及一种教具，具体地说是一种用于演示盖吕萨克定律的演示装置。

背景技术

在课堂上要让学生们快速牢记一些知识点，教师会选择各种教具辅助教学。但是现有技术中的教具存在很多的不足。以演示盖吕萨克定律的教具为例，盖·吕萨克定律即等压过程，是理想气体状态方程的一个特例，数学表达式为：

$\frac{V_1}{V_2}=\frac{T_1}{T_2}\·\·\·\left(1\right)$

式中：V₁、V₂是过程前后气体体积，T₁、T₂是过程前后气体的热力学温度（K）。

图1为现有技术中的教具，汞滴式盖吕萨克定律演示装置，这样的结构虽然简单，但是这个方案不仅由于在中小学禁止使用汞做实验而不可行，而且其中存在科学性错误，因为上述（1）式中V₁、V₂是过程前后气体的总体积，并非体积增量。所以这样的教具对孩子们会起到误导的作用。此外还有许多方案，例如使用电热的，甚至加了风扇使容器内空气流动达到温度均匀，教具结构复杂，误差较大，而且生产成本高。毕竟作为普及使用的教具，成本也是需要考虑的一个问题。对此我们深入研究，研制一种能兼顾制作成本和教学效果的教具，填补这项空白技术。

发明内容：

本发明专利的目的就是弥补现有技术的不足，提供了一种用于演示盖吕萨克定律的演示装置，能直观表现出热交换的特性，提高演示精度。整个演示装置安全无毒，同时也尽可能降低生产成本。

为达到所述目的，本发明盖吕萨克定律演示装置，包括水槽，所述水槽中设有温度感应定位圈，温度感应定位圈内固定有温度计或温度感应元件，所述水槽中设有通过连接管连接的容器筒和变量测定器，所述容器筒和变量测定器分别为管径不同的带有刻度的透明注射器，透明注射器的刻度为体积标度，容器筒的最小分度值不大于5mL，变量测定器的最小分度值不大于1mL，水槽的高度高于实验时两个注射器内的的气体空间，所述水槽侧面设有排水孔。

优选的，所述水槽设有盖体，温度感应定位圈安装在盖体上。这样的结构主要用于温度计，温度计直接插在水槽盖体上，安装和读数都非常方便，而且温度计不接触水槽内部，减少读数误差。

优选的，所述温度感应定位圈数量为三个，分布在水槽的不同高度的侧壁上，每个温度感应定位圈内均固定有温度感应元件，所述三个温度感应元件连接到一个温度指示终端。这样取多个位置的温度进行分析，不仅能知道水槽中的水是否分布均匀，同时也能确保记录的试验数据更为准确。

优选的，所述注射器的接口为锥形。这样的结构便于和连通管连接不易脱出，也确保了气密性。

进一步的，本发明还包括盖吕萨克定律演示装置的使用方法：包括：

步骤一，将容器筒含气量定位在100ml，变量测定器定位在5ml，先在水槽内加满冷水，约2分钟后待水温平衡后观察并记录温度和气体的总体积，总体积应该是两个注射器内气体体积之和，再加上连接管的校正体积；

步骤二，放掉部分或全部的冷水，加入部分的热水或全部的温水，约2分钟后待水温平衡，观察并记录温度和总体积；

步骤三，在热水的冷却过程中，分段或定时观测水温和总体积，并纪录；

步骤四，按公式计算验证。通过正确的操作步骤，减少不必要的操作，能有效降低误差，同时提高演示效果。

优选的，所述实验中水的热力学温度高、低比不大于1.15。温差太大不仅会影响试验器材的试验性能，导致误差偏大。

通过所述结构，本发明容器筒和变量测定器的容积能够调节，使两者内的气压始终恒定。用室温下的“冷”水和温度在100℃以内的热水改变气体温度，从而演示盖吕萨克定律。优点是水的热容量大，空气的热容量小，浸在水中的容器内的空气能够快速达到热平衡，并且温度比较稳定，测量比较准确。

附图说明：

图1为现有技术中的汞滴式盖吕萨克定律演示装置。

图2为本发明一种用于演示盖吕萨克定律的演示装置采用温度计的整体结构示意图。

具体实施方式：

本发明盖吕萨克定律演示装置如图2所示，包括水槽4，水槽4应由透明材料制成，内部尺寸应不小于110mm×45mm×190mm，透光率在90％以上。所述水槽4中设有温度感应定位圈，温度感应定位圈由软性材料制成，其内固定有温度计3或温度感应元件，所述水槽4中设有通过连接管5连接的容器筒1和变量测定器2，所述容器筒1和变量测定器2分别为管径不同的带有刻度的透明注射器，透明注射器的刻度为体积标度，容器筒1的最小分度值不大于5mL，变量测定器2的最小分度值不大于1mL，且在水温改变1℃时，变量测定器应能自动调整容积。水槽4的高度高于实验时两个注射器内的的气体空间，所述水槽4侧面设有排水孔。所述水槽4设有盖体，温度感应定位圈安装在盖体上。

为了确保测试温度准确，所述温度感应定位圈数量为三个，分布在水槽4的不同高度的侧壁上，每个温度感应定位圈内均固定有温度感应元件，所述三个温度感应元件连接到一个温度指示终端。但是这样的结构成本较高，因此仅用于教学要求较高的场合，一般情况下温度计就可以了。

所述注射器的接口为锥形。

演示时按照以下步骤进行：步骤一，将容器筒1含气量定位在100ml，变量测定器2定位在5ml，先在水槽4内加满冷水，约2分钟后待水温平衡后观察并记录温度和气体的总体积，总体积应该是两个注射器内气体体积之和，再加上连接管5的校正体积；

步骤二，放掉部分或全部的冷水，加入部分的热水或全部的温水，约2分钟后待水温平衡，观察并记录温度和总体积；

步骤三，在热水的冷却过程中，分段或定时观测水温和总体积，并纪录；

步骤四，按公式

计算验证。

其中，所述实验中水的热力学温度高、低比不大于1.15。

通过这个实验数据，就可证明盖吕萨克定律：压强不变时，一定质量气体的体积跟热力学温度成正比。

为了确保试验效果，还需要对整个系统误差进行分析：

a)安装实验装置，使容器筒定位在100mL，变量测定器中空气定位在5mL处；

b)在水槽中加入冷水，测量此时的水温T₁和总体积V₁，

T₁＝273.15+t₁........................................(2)

式中：T₁－热力学温度（K），t₁－摄氏温度（℃），由温度计测量此时的水温。

总体积V₁为此时容器筒测量的体积、变量测定器测量的体积和校正体积之和，单位为毫升。

c）将水槽中的冷水排出，加入热水，测量此时的水温T₂和总体积V₂，

T₂＝273.15+t₂..........................................(2)

式中：T₂－热力学温度（K），t₂－摄氏温度（℃），由温度计测量此时的水温。

总体积V₁、V₂为容器筒测量的体积、变量测定器测量的体积和连接管容积之和，单位为毫升（mL）。连接管容积约为1mL。

d)按（1）式计算实验误差。按上述水温（热力学温度）高、低之比最大为1.15。估算实验可能用到的最大温差约40℃，如果温度计在－30℃～100℃范围内的误差是均匀变化的，那么估计在40℃温差范围内由于温度计误差引起的测量误差约0.6℃，相对误差约1.2％。因此，本发明最大可能实验误差应该可以控制在8％以内。我们实验结果误差可以达到6％以下。

试验记录(一)

试验记录(二)

分析：测试后的数据也证实了我们的分析，两次试验结果都是负误差，说明存在系统误差。式，主要原因应在体积测量，注射器活塞还有阻力，在浸入热水后测量V₂的误差。但是已经在允许范围内。试验误差是不可能完全消除的。

Claims (6)

1.盖吕萨克定律演示装置，其特征在于：包括水槽(4)，所述水槽(4)中设有温度感应定位圈，温度感应定位圈内固定有温度计(3)或温度感应元件，所述水槽(4)中设有通过连接管(5)连接的容器筒(1)和变量测定器(2)，所述容器筒(1)和变量测定器(2)分别为管径不同的带有刻度的透明注射器，容器筒(1)的最小分度值不大于5mL，变量测定器(2)的最小分度值不大于1mL，水槽(4)的高度高于实验时两个注射器内的气体空间，所述水槽(4)侧面设有排水孔。

2.如权利要求1所述的盖吕萨克定律演示装置，其特征在于：所述水槽(4)设有盖体，温度感应定位圈安装在盖体上。

3.如权利要求1所述的盖吕萨克定律演示装置，其特征在于：所述温度感应定位圈数量为三个，分布在水槽(4)的不同高度的侧壁上，每个温度感应定位圈内均固定有温度感应元件，所述三个温度感应元件连接到一个温度指示终端。

4.如权利要求1所述的盖吕萨克定律演示装置，其特征在于：所述注射器的接口为锥形。

5.一种如权利要求1所述的盖吕萨克定律演示装置的使用方法：包括：

步骤一，将容器筒(1)含气量定位在100ml，变量测定器(2)定位在5ml，先在水槽(4)内加满冷水，约2分钟后待水温平衡后观察并记录温度和气体的总体积，总体积应该是两个注射器内气体体积之和，再加上连接管(5)的校正体积；

步骤二，放掉部分或全部的冷水，加入部分的热水或全部的温水，约2分钟后待水温平衡，观察并记录温度和总体积；

步骤三，在热水的冷却过程中，分段或定时观测水温和总体积，并记录；

步骤四，按公式

计算验证。

6.如权利要求5所述的使用方法，其特征在于：所述实验中水的热力学温度高、低比不大于1.15。

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