CN109147508B - 一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，包括固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置。该热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，能够同时演示液体、固体和气体的热胀冷缩现象，同时还能够演示金属镓的冷胀热缩性质，热胀冷缩及冷胀热缩的微小形变能够直观、清楚、动态地显示出来，学生能更好地观察并了解热胀冷缩及冷胀热缩现象，提高学生的学习兴趣，提高授课效率。该热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置使用方便，操作简单，安全性高。

Description

一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置

技术领域

本发明涉及一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，属于物料教具技术领域。

背景技术

热胀冷缩是物体的一种基本性质，物体在一般状态下，受热以后会膨胀，在受冷的状态下会缩小。大多数物体都具有这种性质。

目前在热胀冷缩的演示实验中，通常只单独演示气体或液体的热胀冷缩，而固体的热胀冷缩由于形变量小，不易观察。在中学《科学》科目的教科版五年级下册中，对金属的热胀冷缩提供了一套简单的实验演示装置，其将金属条放置在木板上，在金属条一端钉入一根大头钉，当金属条在酒精灯的加热作用下膨胀伸长，会将大头针顶弯，从而使学生认识到热胀冷缩现象。但是由于线膨胀系数的存在，热胀冷缩的型变程度非常细微，在实验过程中，大头针的位移较小，有时候凭肉眼很难被观察到。并且，即使大多数物体都是遇热膨胀，遇冷收缩，但是仍然有一些物质是遇热收缩，遇冷膨胀，目前暂时还未检索有关热缩冷胀实验演示装置。而在课堂教学过程中，需要一种能直观、动态、能显而易见观察到变化的实验装置。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，具体技术方案如下：

一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，包括固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置。

作为上述技术方案的改进，所述固体热胀冷缩演示装置包括竖直的圆柱状金属柱、圆柱螺旋线状感应加热线圈、铁环、圆环状电磁铁、固设在电磁铁外侧壁的连杆，所述感应加热线圈套设在金属柱的外部，所述金属柱的外侧壁与感应加热线圈之间设置有间隙，所述感应加热线圈的内径大于铁环的外径，所述金属柱与铁环的内圈之间为间隙配合，所述铁环的外圈与电磁铁的内圈之间为间隙配合，所述金属柱的上端面与电磁铁的下端面齐平，所述金属柱的中轴线与电磁铁的中轴线共线。

作为上述技术方案的改进，所述气体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱外侧的第一金属板、第一金属立柱、气箱、第一透明水槽、竖直的第一透明圆管、设置在第一透明圆管内部的活塞，所述第一金属板与金属柱垂直，所述第一金属板的尾端与金属柱的下端焊接连接，所述第一金属立柱与第一金属板垂直，所述第一金属立柱的下端与第一金属板的首端焊接连接，所述气箱的箱底设置有与第一金属立柱相适配的第一安装孔，所述第一金属立柱的上端穿过第一安装孔且第一金属立柱的上端设置在气箱的内部，所述第一金属立柱的侧壁与第一安装孔的孔壁之间密封连接，所述第一透明水槽设置在气箱的上方，所述第一透明水槽的槽底与气箱的顶部固定连接，所述第一透明水槽的槽底与气箱顶部的连接处设置有第一通孔，所述第一透明圆管设置在第一透明水槽的内部，所述第一透明圆管的下端与第一透明水槽的槽底密封连接，所述第一透明圆管的高度小于或等于第一透明水槽的深度，所述第一透明圆管的内腔被活塞分隔成位于活塞上方的第一腔室和位于活塞下方的第二腔室，所述第二腔室与气箱的内腔之间通过第一通孔连通，所述第一腔室中充满第一溶液，所述第一溶液的液面与第一透明圆管的上端面齐平，所述第一透明水槽中装有第二溶液，所述第二溶液的液面高度低于第一透明圆管上端面的高度。

作为上述技术方案的改进，所述液体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱外侧的第二金属板、第二金属立柱、液箱、第二透明水槽、竖直的第二透明圆管，所述第二金属板与金属柱垂直，所述第二金属板的尾端与金属柱的下端焊接连接，所述第二金属立柱与第二金属板垂直，所述第二金属立柱的下端与第二金属板的首端焊接连接，所述液箱的箱底设置有与第二金属立柱相适配的第二安装孔，所述第二金属立柱的上端穿过第二安装孔且第二金属立柱的上端设置在液箱的内部，所述第二金属立柱的侧壁与第二安装孔的孔壁之间密封连接，所述第二透明水槽设置在液箱的上方，所述第二透明水槽的槽底与液箱的顶部固定连接，所述第二透明水槽的槽底与液箱顶部的连接处设置有第二通孔，所述第二透明圆管设置在第二透明水槽的内部，所述第二透明圆管的下端与第二透明水槽的槽底密封连接，所述第二透明圆管的高度小于或等于第二透明水槽的深度，所述第二透明圆管的内腔与液箱的内腔之间通过第二通孔连通，所述第二透明圆管的内腔、第二通孔以及液箱的内腔中均充满第三溶液，所述第三溶液的液面与第二透明圆管的上端面齐平，所述第二透明水槽中装有第四溶液，所述第四溶液的液面高度低于第二透明圆管上端面的高度。

作为上述技术方案的改进，所述热缩冷胀演示装置包括设置在金属柱外侧的第三金属板、第三金属立柱、箱体、竖直的绝缘圆管、与绝缘圆管内腔相适配的下导电柱、设置在下导电柱正上方的上导电柱、指示灯、用来安装指示灯的灯座、控制开关、直流电源，所述第三金属板与金属柱垂直，所述第三金属板的尾端与金属柱的下端焊接连接，所述第三金属立柱与第三金属板垂直，所述第三金属立柱的下端与第三金属板的首端焊接连接，所述箱体的箱底设置有与第三金属立柱相适配的第三安装孔，所述第三金属立柱的上端穿过第三安装孔且第三金属立柱的上端设置在箱体的内部，所述第三金属立柱的侧壁与第三安装孔的孔壁之间密封连接，所述绝缘圆管设置在箱体的上方，所述绝缘圆管的下端与箱体的顶部密封连接，所述箱体的顶部设置有第三通孔，所述绝缘圆管的内腔与箱体的内腔之间通过第三通孔连通，所述箱体的内腔充满金属镓，所述绝缘圆管的内腔中填充有金属镓，所述绝缘圆管的内部还设置有绝缘活塞，所述绝缘活塞的下表面紧贴着绝缘圆管中金属镓的表面，所述下导电柱的下端设置在绝缘圆管的内部且下导电柱的下端与绝缘活塞的上端固定连接，所述下导电柱的上端设置在绝缘圆管的外部，所述上导电柱与灯座之间设置有绝缘杆，所述绝缘杆的一端与灯座固定连接，所述绝缘杆的另一端与上导电柱的侧壁固定连接；所述直流电源的正极与控制开关的其中一个接线端电连接，所述控制开关的另一个接线端与指示灯的其中一个接线端电连接，所述指示灯的另一个接线端与下导电柱之间设置有软导线，所述软导线的一端与下导电柱的上端电连接，所述软导线的另一端与指示灯的另一个接线端电连接，所述上导电柱与直流电源的负极之间设置有导线，所述导线的一端与上导电柱电连接，所述导线的另一端与直流电源的负极电连接。

作为上述技术方案的改进，所述金属柱的下端面与第一金属板的底面齐平，所述第一金属板的底面与第二金属板的底面齐平，所述第三金属板的底面与第二金属板的底面齐平，所述隔热板的外部设置有冷却水槽，所述固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置均设置在冷却水槽的内部，所述金属柱的下端与冷却水槽的槽底之间设置有隔热板，所述隔热板的底部与冷却水槽的槽底固定连接。

作为上述技术方案的改进，所述第二溶液为酚酞试液的水溶液，所述第一溶液为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液；所述第四溶液为酚酞试液的水溶液，所述第三溶液为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液。

作为上述技术方案的改进，所述第一透明水槽的下方设置有第一排水阀，所述第一排水阀的输入端与第一透明水槽连通；所述第二透明水槽的下方设置有第三排水阀，所述第三排水阀的输入端与第二透明水槽连通。

作为上述技术方案的改进，所述气箱的四周固设有第一环形水槽，所述第一环形水槽的下方设置有第二排水阀，所述第二排水阀的输入端与第一环形水槽连通；所述液箱的四周固设有第二环形水槽，所述第二环形水槽的下方设置有第四排水阀，所述第四排水阀的输入端与第二环形水槽连通。

作为上述技术方案的改进，所述冷却水槽的外部设置有第五排水阀，所述第五排水阀的输入端与冷却水槽连通。

本发明的有益效果：本发明所述热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，能够同时演示液体、固体和气体的热胀冷缩现象，同时还能够演示金属镓的冷胀热缩性质，热胀冷缩及冷胀热缩的微小形变能够直观、清楚、动态地显示出来，学生能更好地观察并了解热胀冷缩及冷胀热缩现象，提高学生的学习兴趣，提高授课效率。该热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置使用方便，操作简单，安全性高。

附图说明

图1为本发明所述热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置的结构示意图；

图2为本发明所述气体热胀冷缩演示装置的结构示意图；

图3为本发明所述液体热胀冷缩演示装置的结构示意图；

图4为本发明所述热缩冷胀演示装置的结构示意图；

图5为本发明所述下导电柱、上导电柱、指示灯、控制开关、直流电源的电路连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，所述热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，包括固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置。所述固体热胀冷缩演示装置包括竖直的圆柱状金属柱11、圆柱螺旋线状感应加热线圈12、铁环13、圆环状电磁铁14、固设在电磁铁14外侧壁的连杆15，所述感应加热线圈12套设在金属柱11的外部，所述金属柱11的外侧壁与感应加热线圈12之间设置有间隙，所述感应加热线圈12的内径大于铁环13的外径，所述金属柱11与铁环13的内圈之间为间隙配合，所述铁环13的外圈与电磁铁14的内圈之间为间隙配合，所述金属柱11的上端面与电磁铁14的下端面齐平，所述金属柱11的中轴线与电磁铁14的中轴线共线。

如图1、2所示，所述气体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱11外侧的第一金属板21、第一金属立柱22、气箱23、第一透明水槽24、竖直的第一透明圆管25、设置在第一透明圆管25内部的活塞26，所述第一金属板21与金属柱11垂直，所述第一金属板21的尾端与金属柱11的下端焊接连接，所述第一金属立柱22与第一金属板21垂直，所述第一金属立柱22的下端与第一金属板21的首端焊接连接，所述气箱23的箱底设置有与第一金属立柱22相适配的第一安装孔，所述第一金属立柱22的上端穿过第一安装孔且第一金属立柱22的上端设置在气箱23的内部，所述第一金属立柱22的侧壁与第一安装孔的孔壁之间密封连接，所述第一透明水槽24设置在气箱23的上方，所述第一透明水槽24的槽底与气箱23的顶部固定连接，所述第一透明水槽24的槽底与气箱23顶部的连接处设置有第一通孔241，所述第一透明圆管25设置在第一透明水槽24的内部，所述第一透明圆管25的下端与第一透明水槽24的槽底密封连接，所述第一透明圆管25的高度小于或等于第一透明水槽24的深度，所述第一透明圆管25的内腔被活塞26分隔成位于活塞26上方的第一腔室251和位于活塞26下方的第二腔室252，所述第二腔室252与气箱23的内腔之间通过第一通孔241连通，所述第一腔室251中充满第一溶液27，所述第一溶液27的液面与第一透明圆管25的上端面齐平，所述第一透明水槽24中装有第二溶液28，所述第二溶液28的液面高度低于第一透明圆管25上端面的高度。

如图1、3所示，所述液体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱11外侧的第二金属板31、第二金属立柱32、液箱33、第二透明水槽34、竖直的第二透明圆管35，所述第二金属板31与金属柱11垂直，所述第二金属板31的尾端与金属柱11的下端焊接连接，所述第二金属立柱32与第二金属板31垂直，所述第二金属立柱32的下端与第二金属板31的首端焊接连接，所述液箱33的箱底设置有与第二金属立柱32相适配的第二安装孔，所述第二金属立柱32的上端穿过第二安装孔且第二金属立柱32的上端设置在液箱33的内部，所述第二金属立柱32的侧壁与第二安装孔的孔壁之间密封连接，所述第二透明水槽34设置在液箱33的上方，所述第二透明水槽34的槽底与液箱33的顶部固定连接，所述第二透明水槽34的槽底与液箱33顶部的连接处设置有第二通孔341，所述第二透明圆管35设置在第二透明水槽34的内部，所述第二透明圆管35的下端与第二透明水槽34的槽底密封连接，所述第二透明圆管35的高度小于或等于第二透明水槽34的深度，所述第二透明圆管35的内腔与液箱33的内腔之间通过第二通孔341连通，所述第二透明圆管35的内腔、第二通孔341以及液箱33的内腔中均充满第三溶液36，所述第三溶液36的液面与第二透明圆管35的上端面齐平，所述第二透明水槽34中装有第四溶液37，所述第四溶液37的液面高度低于第二透明圆管35上端面的高度。

如图4、5所示，所述热缩冷胀演示装置包括设置在金属柱11外侧的第三金属板61、第三金属立柱62、箱体63、竖直的绝缘圆管64、与绝缘圆管64内腔相适配的下导电柱66、设置在下导电柱66正上方的上导电柱67、指示灯68、用来安装指示灯68的灯座69、控制开关610、直流电源612，所述第三金属板61与金属柱11垂直，所述第三金属板61的尾端与金属柱11的下端焊接连接，所述第三金属立柱62与第三金属板61垂直，所述第三金属立柱62的下端与第三金属板61的首端焊接连接，所述箱体63的箱底设置有与第三金属立柱62相适配的第三安装孔，所述第三金属立柱62的上端穿过第三安装孔且第三金属立柱62的上端设置在箱体63的内部，所述第三金属立柱62的侧壁与第三安装孔的孔壁之间密封连接，所述绝缘圆管64设置在箱体63的上方，所述绝缘圆管64的下端与箱体63的顶部密封连接，所述箱体63的顶部设置有第三通孔631，所述绝缘圆管64的内腔与箱体63的内腔之间通过第三通孔631连通，所述箱体63的内腔充满金属镓65，所述绝缘圆管64的内腔中填充有金属镓65，所述绝缘圆管64的内部还设置有绝缘活塞641，所述绝缘活塞641的下表面紧贴着绝缘圆管64中金属镓65的表面，所述下导电柱66的下端设置在绝缘圆管64的内部且下导电柱66的下端与绝缘活塞641的上端固定连接，所述下导电柱66的上端设置在绝缘圆管64的外部，所述上导电柱67与灯座69之间设置有绝缘杆691，所述绝缘杆691的一端与灯座69固定连接，所述绝缘杆691的另一端与上导电柱67的侧壁固定连接；所述直流电源612的正极与控制开关610的其中一个接线端电连接，所述控制开关610的另一个接线端与指示灯68的其中一个接线端电连接，所述指示灯68的另一个接线端与下导电柱66之间设置有软导线661，所述软导线661的一端与下导电柱66的上端电连接，所述软导线661的另一端与指示灯68的另一个接线端电连接，所述上导电柱67与直流电源612的负极之间设置有导线671，所述导线671的一端与上导电柱67电连接，所述导线671的另一端与直流电源612的负极电连接。

1、所述固体热胀冷缩演示装置的具体演示过程如下：

1.1、所述金属柱11的上端设置在感应加热线圈12的外部，所述金属柱11的下端设置在感应加热线圈12的外部。将所述铁环13放置在电磁铁14的内部，所述电磁铁14通电产生磁力能够吸附住铁环13。当电磁铁14断电，由于没有磁力的吸附，所述铁环13在重力的作用下向下掉落，而所述金属柱11的中轴线与电磁铁14的中轴线共线，再加上所述金属柱11的上端面与电磁铁14的下端面齐平，这使得铁环13在脱离电磁铁14的瞬间会套在金属柱11的外侧并沿着金属柱11向下滑动。

1.2、然后向上移动铁环13直至将铁环13移动到电磁铁14的内圈中，再给电磁铁14通电，电磁铁14产生磁力将铁环13吸附住。所述金属柱11、第一金属板21、第一金属立柱22、第二金属板31、第二金属立柱32、第三金属板61和第三金属立柱62均采用铁铝合金制成。采用高频电源给所述感应加热线圈12通电，感应加热线圈12通电后利用电磁感应的方式使被加热的金属柱11中产生涡电流，因电阻而造成金属的焦耳加热，从而使得金属柱11的中段被烧红。而铁铝合金是以铁和铝为主要元素组成的合金，具有很高的电阻率，其涡流损耗小、质量轻；再加上铝的热膨胀系数非常大。由铁铝合金制成的金属柱11在感应加热线圈12的加热下能够迅速的被烧红，且金属柱11的中段受热会发生膨胀，并且其膨胀的形变量较大；由于金属柱11自身的散热性优良，金属柱11的上下两端能够及时散热，使得金属柱11的上下两端未被烧红，从而使得金属柱11的上下两端即使受热发生膨胀，但是膨胀的形变量有限。所述金属柱11、第一金属板21、第一金属立柱22、第二金属板31、第二金属立柱32、第三金属板61和第三金属立柱62均采用同种材料制成，方便焊接。

1.3、当金属柱11的中段被烧红后立即给感应加热线圈12断电，然后给电磁铁14断电，由于没有磁力的吸附，所述铁环13在重力的作用下向下掉落，铁环13在脱离电磁铁14的瞬间会套在金属柱11的外侧并沿着金属柱11向下滑动；由于金属柱11的中段被烧红发生膨胀，而金属柱11的上端受热发生膨胀的形变量有限，这使得铁环13的内圈仍然能够穿过金属柱11的上端，而金属柱11的中段由于发生的形变量较大，这使得铁环13在向下滑动的过程中会被金属柱11的中段卡住；可通过感应加热线圈12上的空隙可观察到铁环13卡在金属柱11的中段，也可通过铁环13未落到感应加热线圈12的下方可得出铁环13被金属柱11卡住。由于金属柱11在未被加热前，所述铁环13能够顺畅的沿着金属柱11进行上下运动；当金属柱11的中段被烧红后，铁环13运动到金属柱11的中段即会被卡住，这说明金属柱11的中段受热会发生膨胀。当金属柱11在冷却的过程中，被卡住的铁环13能够沿着金属柱11向下运动，这说明冷却会使得金属柱11发生收缩。本发明所述固体热胀冷缩演示装置的演示结果直观、清楚。

2、所述气体热胀冷缩演示装置的具体演示过程如下：

2.1、由于第二腔室252以及气箱23的内腔都存在空气，当向第一腔室251中灌入第一溶液27直至所述第一溶液27的液面与第一透明圆管25的上端面齐平；然后向第一透明水槽24的内部灌入第二溶液28，所述第二溶液28的液面高度低于第一透明圆管25上端面的高度。当感应加热线圈12对金属柱11进行加热时，第一金属板21、第一金属立柱22的传热性能优良，因此第一金属立柱22会对气箱23内部的空气进行加热，气箱23及第二腔室252内部的空气受热膨胀会使得活塞26向上运动，活塞26向上运动会导致第一溶液27从第一腔室251中外溢；所述第二溶液28可选酚酞试液的水溶液，所述第一溶液27可选为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液；因此，当第一溶液27从第一腔室251中溢出流到第一透明水槽24的内部，溢出的第一溶液27接触到第二溶液28使得第一透明水槽24内部的液体迅速变红。学生可观察到第一透明水槽24内部的液体迅速变红这种现象，从而得出空气在加热后能够发生膨胀。

2.2、待第一金属立柱22冷却到室温后，所述第二腔室252及气箱23内腔中的空气会收缩，在重力作用下，这会使得活塞26向下运动，这会导致第一腔室251中第一溶液27的液面会低于第一透明圆管25的上端面。本发明所述气体热胀冷缩演示装置的演示结果直观、清楚。其中，为方便排掉第一透明水槽24内部的液体；所述第一透明水槽24的下方设置有第一排水阀242，所述第一排水阀242的输入端与第一透明水槽24连通。为防止气箱23内部的空气被过量加热，所述气箱23的四周固设有第一环形水槽29，所述第一环形水槽29的下方设置有第二排水阀291，所述第二排水阀291的输入端与第一环形水槽29连通；通过向第一环形水槽29注入自来水，当气箱23内部的空气被第一金属立柱22加热时，由于第一环形水槽29内部的自来水在被加热至沸腾后其温度不会再上升，因此在第一环形水槽29内部自来水的限制下，所述气箱23内部的空气不会被过量加热，从而提高设备安全性。第二排水阀291的存在，方便排出第一环形水槽29内部的自来水。

3、所述液体热胀冷缩演示装置的具体演示过程如下：

3.1、由于所述第二透明圆管35的内腔以及液箱33的内腔中均充满第三溶液36，所述第三溶液36的液面与第二透明圆管35的上端面齐平；然后向第二透明水槽34的内部灌入第四溶液37，所述第四溶液37的液面高度低于第二透明圆管35上端面的高度。当感应加热线圈12对金属柱11进行加热时，第二金属板31、第二金属立柱32的传热性能优良，因此第二金属立柱32会对液箱33内部的第三溶液36进行加热，液箱33及第二透明圆管35内部的第三溶液36受热膨胀会导致第三溶液36从第二透明圆管35中外溢；所述第四溶液37为酚酞试液的水溶液，所述第三溶液36为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液；因此，当第三溶液36从第二透明圆管35中溢出流到第二透明水槽34的内部，溢出的第三溶液36接触到第四溶液37使得第二透明水槽34内部的液体迅速变红。学生可观察到第二透明水槽34内部的液体迅速变红这种现象，从而得出液体在加热后能够发生膨胀。

3.2、待第二金属立柱32冷却到室温后，第二透明圆管35及液箱33内部的第三溶液36会发生收缩，这会导致第二透明圆管35中第三溶液36的液面会低于第二透明圆管35的上端面。本发明所述液体热胀冷缩演示装置的演示结果直观、清楚。其中，为方便排掉第二透明水槽34内部的液体；所述第二透明水槽34的下方设置有第三排水阀342，所述第三排水阀342的输入端与第二透明水槽34连通。为防止液箱33内部的第三溶液36被加热至沸腾，所述液箱33的四周固设有第二环形水槽38，所述第二环形水槽38的下方设置有第四排水阀381，所述第四排水阀381的输入端与第二环形水槽38连通；通过向第二环形水槽38注入自来水，通过控制第二环形水槽38中自来水的温度从而防止液箱33内部的第三溶液36被加热至沸腾，也就能够避免由于沸腾带来的误差。第四排水阀381的存在，方便排出第二环形水槽38内部的自来水。位于液箱33内部的那部分第二金属立柱32，其表面可涂覆有防腐漆，这使其能够避免被碱性溶液腐蚀。

4、所述热缩冷胀演示装置的具体演示过程如下：

4.1、由于金属镓65的熔点为29.8℃，当室温低于29.8℃时，箱体63以及绝缘圆管64中的金属镓65为固态，此时所述绝缘活塞641的下表面紧贴着绝缘圆管64中金属镓65的表面；此时下导电柱66的上端抵住上导电柱67的下端，也就是说下导电柱66与上导电柱67电连接，此时只要闭合控制开关610，所述指示灯68会亮起。当感应加热线圈12对金属柱11进行加热时，第三金属板61、第三金属立柱62的传热性能优良，因此第三金属立柱62会对箱体63内部的金属镓65进行加热，而金属镓65具有“冷胀热缩”的特性，因此加热金属镓65使其变成液态反而会导致其体积缩小，这就导致下导电柱66在重力的作用下向下运动，从而使得下导电柱66与上导电柱67之间发生断路，也就导致指示灯68会突然熄灭。

4.2、待第三金属立柱62冷却到室温后，液态镓很容易过冷即冷却至0℃而不固化。液态镓受冷后会膨胀，这会导致下导电柱66会被液态金属镓65的液面顶起，下导电柱66会被顶起重新与上导电柱67接触，从而使得下导电柱66与上导电柱67之间闭合电连接，指示灯68会突然亮起。学生可观察到指示灯68是否亮起或熄灭，从而得出金属镓65具有“冷胀热缩”的特性。本发明所述热缩冷胀演示装置的演示结果直观、清楚。其中，软导线661柔软可弯曲，软导线661对下导电柱66的上下移动影响小。绝缘活塞641能够避免发生漏电。

进一步地，所述金属柱11的下端面与第一金属板21的底面齐平，所述第一金属板21的底面与第二金属板31的底面齐平，所述第三金属板61的底面与第二金属板31的底面齐平，所述隔热板5的外部设置有冷却水槽4，所述固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置均设置在冷却水槽4的内部，所述金属柱11的下端与冷却水槽4的槽底之间设置有隔热板5，所述隔热板5的底部与冷却水槽4的槽底固定连接。可采取向冷却水槽4的内部倒入冷却水的方式来迅速冷却金属柱11、第一金属板21、第一金属立柱22、第二金属板31、第二金属立柱32、第三金属板61、第三金属立柱62。冷却水槽4的存在，还使得整个装置的搬运变得简单方便。隔热板5相当于一块“垫板”，金属柱11在加热时，隔热板5能够避免大部分热量传递至冷却水槽4，从而保障第一金属立柱22、第二金属立柱32、第三金属立柱62的加热效率。还可将连杆15的尾端与冷却水槽4固定连接，从而使得电磁铁14能够设置在感应加热线圈12的上方。还能够将灯座69安装在冷却水槽4的侧壁，从而使得上导电柱67悬在下导电柱66的正上方。

进一步地，为方便排水，所述冷却水槽4的外部设置有第五排水阀41，所述第五排水阀41的输入端与冷却水槽4连通。

在上述实施例中，本发明所述热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，能够同时演示液体、固体和气体的热胀冷缩现象，同时还能够演示金属镓的冷胀热缩性质，热胀冷缩及冷胀热缩的微小形变能够直观、清楚、动态地显示出来，即使是金属的微小形变也能够直观、清楚地显示出来，学生能更好地观察并了解热胀冷缩及冷胀热缩现象，提高学生的学习兴趣，提高授课效率。所述固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置共用一个热源，加热过程中无明火产生，安全性高。同时，还能够演示电磁现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，其特征在于：包括固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置；

所述固体热胀冷缩演示装置包括竖直的圆柱状金属柱（11）、圆柱螺旋线状感应加热线圈（12）、铁环（13）、圆环状电磁铁（14）、固设在电磁铁（14）外侧壁的连杆（15），所述感应加热线圈（12）套设在金属柱（11）的外部，所述金属柱（11）的外侧壁与感应加热线圈（12）之间设置有间隙，所述感应加热线圈（12）的内径大于铁环（13）的外径，所述金属柱（11）与铁环（13）的内圈之间为间隙配合，所述铁环（13）的外圈与电磁铁（14）的内圈之间为间隙配合，所述金属柱（11）的上端面与电磁铁（14）的下端面齐平，所述金属柱（11）的中轴线与电磁铁（14）的中轴线共线；

所述气体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱（11）外侧的第一金属板（21）、第一金属立柱（22）、气箱（23）、第一透明水槽（24）、竖直的第一透明圆管（25）、设置在第一透明圆管（25）内部的活塞（26），所述第一金属板（21）与金属柱（11）垂直，所述第一金属板（21）的尾端与金属柱（11）的下端焊接连接，所述第一金属立柱（22）与第一金属板（21）垂直，所述第一金属立柱（22）的下端与第一金属板（21）的首端焊接连接，所述气箱（23）的箱底设置有与第一金属立柱（22）相适配的第一安装孔，所述第一金属立柱（22）的上端穿过第一安装孔且第一金属立柱（22）的上端设置在气箱（23）的内部，所述第一金属立柱（22）的侧壁与第一安装孔的孔壁之间密封连接，所述第一透明水槽（24）设置在气箱（23）的上方，所述第一透明水槽（24）的槽底与气箱（23）的顶部固定连接，所述第一透明水槽（24）的槽底与气箱（23）顶部的连接处设置有第一通孔（241），所述第一透明圆管（25）设置在第一透明水槽（24）的内部，所述第一透明圆管（25）的下端与第一透明水槽（24）的槽底密封连接，所述第一透明圆管（25）的高度小于或等于第一透明水槽（24）的深度，所述第一透明圆管（25）的内腔被活塞（26）分隔成位于活塞（26）上方的第一腔室（251）和位于活塞（26）下方的第二腔室（252），所述第二腔室（252）与气箱（23）的内腔之间通过第一通孔（241）连通，所述第一腔室（251）中充满第一溶液（27），所述第一溶液（27）的液面与第一透明圆管（25）的上端面齐平，所述第一透明水槽（24）中装有第二溶液（28），所述第二溶液（28）的液面高度低于第一透明圆管（25）上端面的高度；

所述液体热胀冷缩演示装置包括设置在金属柱（11）外侧的第二金属板（31）、第二金属立柱（32）、液箱（33）、第二透明水槽（34）、竖直的第二透明圆管（35），所述第二金属板（31）与金属柱（11）垂直，所述第二金属板（31）的尾端与金属柱（11）的下端焊接连接，所述第二金属立柱（32）与第二金属板（31）垂直，所述第二金属立柱（32）的下端与第二金属板（31）的首端焊接连接，所述液箱（33）的箱底设置有与第二金属立柱（32）相适配的第二安装孔，所述第二金属立柱（32）的上端穿过第二安装孔且第二金属立柱（32）的上端设置在液箱（33）的内部，所述第二金属立柱（32）的侧壁与第二安装孔的孔壁之间密封连接，所述第二透明水槽（34）设置在液箱（33）的上方，所述第二透明水槽（34）的槽底与液箱（33）的顶部固定连接，所述第二透明水槽（34）的槽底与液箱（33）顶部的连接处设置有第二通孔（341），所述第二透明圆管（35）设置在第二透明水槽（34）的内部，所述第二透明圆管（35）的下端与第二透明水槽（34）的槽底密封连接，所述第二透明圆管（35）的高度小于或等于第二透明水槽（34）的深度，所述第二透明圆管（35）的内腔与液箱（33）的内腔之间通过第二通孔（341）连通，所述第二透明圆管（35）的内腔、第二通孔（341）以及液箱（33）的内腔中均充满第三溶液（36），所述第三溶液（36）的液面与第二透明圆管（35）的上端面齐平，所述第二透明水槽（34）中装有第四溶液（37），所述第四溶液（37）的液面高度低于第二透明圆管（35）上端面的高度；

所述热缩冷胀演示装置包括设置在金属柱（11）外侧的第三金属板（61）、第三金属立柱（62）、箱体（63）、竖直的绝缘圆管（64）、与绝缘圆管（64）内腔相适配的下导电柱（66）、设置在下导电柱（66）正上方的上导电柱（67）、指示灯（68）、用来安装指示灯（68）的灯座（69）、控制开关（610）、直流电源（612），所述第三金属板（61）与金属柱（11）垂直，所述第三金属板（61）的尾端与金属柱（11）的下端焊接连接，所述第三金属立柱（62）与第三金属板（61）垂直，所述第三金属立柱（62）的下端与第三金属板（61）的首端焊接连接，所述箱体（63）的箱底设置有与第三金属立柱（62）相适配的第三安装孔，所述第三金属立柱（62）的上端穿过第三安装孔且第三金属立柱（62）的上端设置在箱体（63）的内部，所述第三金属立柱（62）的侧壁与第三安装孔的孔壁之间密封连接，所述绝缘圆管（64）设置在箱体（63）的上方，所述绝缘圆管（64）的下端与箱体（63）的顶部密封连接，所述箱体（63）的顶部设置有第三通孔（631），所述绝缘圆管（64）的内腔与箱体（63）的内腔之间通过第三通孔（631）连通，所述箱体（63）的内腔充满金属镓（65），所述绝缘圆管（64）的内腔中填充有金属镓（65），所述绝缘圆管（64）的内部还设置有绝缘活塞（641），所述绝缘活塞（641）的下表面紧贴着绝缘圆管（64）中金属镓（65）的表面，所述下导电柱（66）的下端设置在绝缘圆管（64）的内部且下导电柱（66）的下端与绝缘活塞（641）的上端固定连接，所述下导电柱（66）的上端设置在绝缘圆管（64）的外部，所述上导电柱（67）与灯座（69）之间设置有绝缘杆（691），所述绝缘杆（691）的一端与灯座（69）固定连接，所述绝缘杆（691）的另一端与上导电柱（67）的侧壁固定连接；所述直流电源（612）的正极与控制开关（610）的其中一个接线端电连接，所述控制开关（610）的另一个接线端与指示灯（68）的其中一个接线端电连接，所述指示灯（68）的另一个接线端与下导电柱（66）之间设置有软导线（661），所述软导线（661）的一端与下导电柱（66）的上端电连接，所述软导线（661）的另一端与指示灯（68）的另一个接线端电连接，所述上导电柱（67）与直流电源（612）的负极之间设置有导线（671），所述导线（671）的一端与上导电柱（67）电连接，所述导线（671）的另一端与直流电源（612）的负极电连接；

所述第二溶液（28）为酚酞试液的水溶液，所述第一溶液（27）为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液；所述第四溶液（37）为酚酞试液的水溶液，所述第三溶液（36）为能够使得酚酞试液变红的碱性溶液；

所述气箱（23）的四周固设有第一环形水槽（29），所述第一环形水槽（29）的下方设置有第二排水阀（291），所述第二排水阀（291）的输入端与第一环形水槽（29）连通；所述液箱（33）的四周固设有第二环形水槽（38），所述第二环形水槽（38）的下方设置有第四排水阀（381），所述第四排水阀（381）的输入端与第二环形水槽（38）连通。

2.根据权利要求1所述的一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，其特征在于：所述金属柱（11）的下端面与第一金属板（21）的底面齐平，所述第一金属板（21）的底面与第二金属板（31）的底面齐平，所述第三金属板（61）的底面与第二金属板（31）的底面齐平，隔热板（5）的外部设置有冷却水槽（4），所述固体热胀冷缩演示装置、气体热胀冷缩演示装置、液体热胀冷缩演示装置、热缩冷胀演示装置均设置在冷却水槽（4）的内部，所述金属柱（11）的下端与冷却水槽（4）的槽底之间设置有隔热板（5），所述隔热板（5）的底部与冷却水槽（4）的槽底固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，其特征在于：所述第一透明水槽（24）的下方设置有第一排水阀（242），所述第一排水阀（242）的输入端与第一透明水槽（24）连通；所述第二透明水槽（34）的下方设置有第三排水阀（342），所述第三排水阀（342）的输入端与第二透明水槽（34）连通。

4.根据权利要求2所述的一种热胀冷缩及热缩冷胀实验演示装置，其特征在于：所述冷却水槽（4）的外部设置有第五排水阀（41），所述第五排水阀（41）的输入端与冷却水槽（4）连通。