CN109377839B - 教学用多功能大气压演示实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种教学用多功能大气压演示实验装置，包括支撑架、第一“U”形透明管、第二“U”形透明管、倒“U”形透明管、透明箱、第一透明活塞管、第二透明活塞管、棒形电加热器、开关阀、气管、气球以及第一至第五密封塞，这些部件共同构成能够通过抽气降压、蒸汽增压或蒸汽降压实现液柱高度变化或气球大小变化的大气压演示实验的实验装置。本发明可以实现通过观察“U”形透明管内水柱在一端等于大气压、另一端低于大气压的情况下产生的水位不等高现象并以此证明大气压存在的演示实验，也可以实现通过蒸汽产生、凝结过程使气球收缩和膨胀的全过程演示，从而通过多种方式实现大气压演示实验，是一种便于推广应用的多功能大气压演示实验装置。

Description

教学用多功能大气压演示实验装置

技术领域

本发明涉及一种中学物理教学用的大气压演示实验装置，尤其涉及一种能够通过多种形式演示多种大气压现象的教学用多功能大气压演示实验装置。

背景技术

在物理教学过程中，大多知识的教学都只停留在概念的介绍上，比如大气压力这一概念，对于学生而言理解起来比较困难，如果能通过演示教具将大气压力形象的展示给学生，会便于学生理解，记忆也会比较深刻，所以需要大气压演示实验装置进行大气现象的演示，从而加深学生的记忆。

传统的大气压力演示装置，一般是才有蒸汽和气球作为主要载体的，有两种形式，一种是将蒸汽发生装置与大气压力演示装置分开在不同容器的，另一种是将蒸汽发生装置与大气压力演示装置合并在一个容器的。

比如，专利号为“ZL 201520991900.7”的实用新型，公开了一种大气压力演示器，包括气球、导管、第一阀门、第二阀门、压力表、壳体、注水口、加热片、放水口、支腿和密封圈；所述气球安装在导管的一端；所述导管的另一端外伸出壳体直接与外界空气接触；所述第一阀门和第二阀门采用蝶阀；所述压力表安装在加热片上方的壳体上；所述注水口安装在壳体右侧壁上；所述加热片安装在壳体的下部；所述放水口采用螺纹连接方式；所述支腿的材料为橡胶。这种大气压演示实验装置存在如下问题：增加了装置的体积，不方便移动，而且水蒸气也不容易进入到大气压力演示装置内；通过一个导管将水蒸气输送到大气压力演示装置内部，这样降低了水蒸气的输送效率，从而使大气压力演示装置内部的水蒸气含量较低，这样最后气球的变化就不是很明显，以至于学生观察不到很明显的演示效果。

再比如，专利申请号为“ZL 201810389714.4”的发明申请，公开了一种物理教学用大气压力演示装置，包括壳体、支撑腿和横隔板，所述壳体底部通过螺栓两两对称固定安装有支撑腿，所述壳体顶部的一侧插接有导气管，所述导气管位于壳体内部的一端套接有气球，所述壳体顶部远离导气管的一侧镶嵌有第一控制阀门，所述壳体外壁一侧的底部插接有进水管，所述进水管外壁靠近壳体的一侧套接有第二控制阀门，所述壳体内壁的中心处通过螺栓固定安装有横隔板，所述横隔板轴心处插接有通气管。这种大气压演示实验装置存在如下问题：只能用蒸汽和气球一种形式演示大气压变化，形式单一；需要电源加热，在没有电源时不能使用，使其应用受限；没有刻度标记，不能更形象、更准确地了解气压变化过程。这些缺陷在上述专利号为“ZL 201520991900.7”的实用新型中也存在。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够通过多种形式演示多种大气压现象的教学用多功能大气压演示实验装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种教学用多功能大气压演示实验装置，包括支撑架、第一“U”形透明管、第二“U”形透明管、倒“U”形透明管、透明箱、第一透明活塞管、第二透明活塞管、棒形电加热器、开关阀和气球，开口两端向上的所述第一“U”形透明管的第一开口端安装有第一密封塞，所述第一“U”形透明管的中部下端设有向下突出的第一透明圆柱空心管，所述第一透明圆柱空心管的下端端口在水平方向齐平、光滑且该端口安装有第二密封塞，所述第一“U”形透明管的第二开口端与开口两端向下的所述倒“U”形透明管的第一开口端相通连接，所述倒“U”形透明管的第二开口端与开口两端向上的所述第二“U”形透明管的第一开口端相通连接，所述第二“U”形透明管的中部下端设有向下突出的第二透明圆柱空心管且所述第二透明圆柱空心管的下端端口安装有第三密封塞，所述第二“U”形透明管上位于自身第一开口端与所述第二透明圆柱空心管之间的位置相通安装有所述第一透明活塞管，所述第二“U”形透明管上位于自身第二开口端与所述第二透明圆柱空心管之间的位置相通安装有所述开关阀，所述第二“U”形透明管的第二开口端与全封闭的所述透明箱的一侧底部相通连接，所述透明箱的顶部中心位置密封安装有竖向的气管，所述气管的上端置于所述透明箱外且其端口安装有第四密封塞，所述气管的下端置于所述透明箱内且其端口密封套装有所述气球，所述透明箱的顶部位于所述气管旁边的位置设有向上突出的第三透明圆柱空心管且所述第三透明圆柱空心管的上端端口安装有第五密封塞，所述透明箱的底部设有向下突出的第四透明圆柱空心管，所述第四透明圆柱空心管的下端端口密封安装有所述棒形电加热器且所述棒形电加热器的电加热棒置于所述第四透明圆柱空心管内，所述透明箱的侧壁上相通安装有所述第二透明活塞管；所述透明箱的箱壁外表面上、所述第一透明活塞管的透明管壁外表面上、所述第二透明活塞管的透明管壁外表面上、所述第一“U”形透明管的两端竖向管壁外表面上、所述倒“U”形透明管靠近其第一开口端的一侧竖向管壁外表面上分别设有刻度线；所述支撑架包括支撑底座和支撑竖杆，所述倒“U”形透明管的中部和所述透明箱的下部分别通过所述支撑竖杆安装于所述支撑底座上。

为了便于演示时观察并保证满足强度要求且便于安装开关阀，所述第一“U”形透明管、所述第一透明圆柱空心管、所述倒“U”形透明管、所述第二“U”形透明管、所述第二透明圆柱空心管和所述第一透明活塞管均一体成型且为钢化玻璃管，所述第二“U”形透明管上靠近其第二开口端一侧的管的长度比靠近其第一开口端一侧的管的长度短；所述透明箱的一侧底部设有连接透明管，所述透明箱、所述连接透明管、所述第三透明圆柱空心管、所述第四透明圆柱空心管和所述第二透明活塞管均一体成型，所述透明箱为钢化玻璃箱，所述连接透明管、所述第三透明圆柱空心管、所述第四透明圆柱空心管和所述第二透明活塞管均为钢化玻璃管，所述第二“U”形透明管的第二开口端通过不锈钢管与所述连接透明管相通连接，所述开关阀安装于所述不锈钢管上。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将第一“U”形透明管、倒“U”形透明管、第二“U”形透明管、透明箱、第一透明活塞管和第二透明活塞管相互连接起来，可以实现通过观察“U”形透明管内水柱在一端等于大气压、另一端低于大气压的情况下产生的水位不等高现象并以此证明大气压存在的演示实验，而且可以通过两个透明活塞管实现不同体积排气以及不同排气量排气后形成不同低压对两端管内水柱高低差变化影响的演示；通过在透明箱设置外接空气的气球并外接棒形电加热器，可以实现通过蒸汽产生、凝结过程使气球收缩和膨胀的全过程演示，从而通过蒸汽和气球这种形式进行大气压演示实验，而且用于产生蒸汽的电加热器和气球直接置于一个透明箱，加热速度快、蒸汽产生快、效果明显；通过在对应部件上设置刻度线，可以更直观、更准确地了解水柱或气球随气压变化产生的水柱高度差或气球宽度变化的大小甚至变化比例，从而能更好地了解大气压变化的原理，提高教学质量；本发明所述演示实验装置通过多种方式实现大气压演示实验并能反应多种气压变化形式，是一种便于推广应用的多功能大气压演示实验装置，尤其适用于中学物理实验。

附图说明

图1是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置的主视结构示意图；

图2是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置在演示实验实施例1中的主视结构示意图；

图3是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置在演示实验实施例2中的主视结构示意图；

图4是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置在演示实验实施例3中的主视结构示意图；

图5是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置在演示实验实施例4中的主视结构示意图之一；

图6是本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置在演示实验实施例4中的主视结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述教学用多功能大气压演示实验装置包括支撑架17、第一“U”形透明管23、第二“U”形透明管20、倒“U”形透明管21、透明箱8、第一透明活塞管19、第二透明活塞管7、棒形电加热器2、开关阀15和气球14，开口两端向上的第一“U”形透明管23的第一开口端(图中的右端)安装有第一密封塞22，第一“U”形透明管23的中部下端设有向下突出的第一透明圆柱空心管(图中未标记)，所述第一透明圆柱空心管的下端端口在水平方向齐平、光滑且该端口安装有第二密封塞24，第一“U”形透明管23的第二开口端(图中的左端)与开口两端向下的倒“U”形透明管21的第一开口端(图中的右端)相通连接，倒“U”形透明管21的第二开口端(图中的左端)与开口两端向上的第二“U”形透明管20的第一开口端(图中的右端)相通连接，第二“U”形透明管20的中部下端设有向下突出的第二透明圆柱空心管(图中未标记)且所述第二透明圆柱空心管的下端端口安装有第三密封塞18，第二“U”形透明管20上位于自身第一开口端与所述第二透明圆柱空心管之间的位置相通安装有第一透明活塞管19，第二“U”形透明管20上靠近其第二开口端一侧的管的长度比靠近其第一开口端一侧的管的长度短，全封闭的透明箱8的一侧底部设有连接透明管(图中未标记)，第二“U”形透明管20的第二开口端通过不锈钢管16与所述连接透明管相通连接，开关阀15安装于不锈钢管16上，透明箱8的顶部中心位置密封安装有竖向的气管12，气管12的上端置于透明箱8外且其端口安装有第四密封塞11，气管12的下端置于透明箱8内且其端口通过密封圈13密封套装有气球14，透明箱8的顶部位于气管12旁边的位置设有向上突出的第三透明圆柱空心管10且第三透明圆柱空心管10的上端端口安装有第五密封塞9，透明箱8的底部设有向下突出的第四透明圆柱空心管3，第四透明圆柱空心管3的下端端口密封安装有棒形电加热器2且棒形电加热器2的电加热棒4置于第四透明圆柱空心管3内，透明箱8的侧壁上相通安装有第二透明活塞管7；透明箱8的箱壁外表面上、第一透明活塞管19的透明管壁外表面上、第二透明活塞管7的透明管壁外表面上、第一“U”形透明管23的两端竖向管壁外表面上、倒“U”形透明管21靠近其第一开口端的一侧竖向管壁外表面上分别设有刻度线5；第一“U”形透明管23、所述第一透明圆柱空心管、倒“U”形透明管21、第二“U”形透明管20、所述第二透明圆柱空心管和第一透明活塞管19均一体成型且为钢化玻璃管，透明箱8、所述连接透明管、第三透明圆柱空心管10、第四透明圆柱空心管3和第二透明活塞管7均一体成型，透明箱8为钢化玻璃箱，所述连接透明管、第三透明圆柱空心管10、第四透明圆柱空心管3和第二透明活塞管7均为钢化玻璃管；支撑架17包括支撑底座(图中未标记)和支撑竖杆(图中未标记)，倒“U”形透明管21的中部和透明箱8的下部分别通过所述支撑竖杆安装于所述支撑底座上。

图1中还示出了棒形电加热器2的电源插头1和第二透明活塞管7的推拉手柄6。

为了更具体地了解本发明的工作原理，下面结合多个演示实验实施例和附图进行具体说明。

演示实验实施例1：

如图2所示，取下第一密封塞22，安装好第二密封塞24，开启开关阀15，取下第三密封塞18或第五密封塞9，通过第一“U”形透明管23的第一开口端向第一“U”形透明管23内加入液体25(一般为自来水，也可以为油液)并使液体25在第一“U”形透明管23的两个竖向管内的深度接近中部，此时因为两个竖向管内的液体25受到的压力均为一个大气压(即均与外界空气相通)，所以两个竖向管内的液体25的深度相同；然后安装好第三密封塞18和第五密封塞9，通过第二透明活塞管7抽气，此时第一“U”形透明管23的靠近其第二端的竖向管内的液体25受到的压力会减小，因为在整体气体量不变的情况下，第二透明活塞管7抽气会增大对应封闭空间的体积，所以气体的压力就会降低；由于第一“U”形透明管23的靠近其第二端的竖向管内的液体25受到的压力减小，而第一“U”形透明管23的靠近其第一端的竖向管内的液体25受到的压力不变，依然是一个大气压，所以第一“U”形透明管23的靠近其第一端的竖向管内的液体25会向靠近其第二端的竖向管流动，直到两端受到的气压相同为止；在液体25完成流动后，可以看见，第一“U”形透明管23的靠近其第二端的竖向管内的液体25的深度高于靠近其第一端的竖向管内的液体25的深度，这样就形象地显示了大气压必然存在的事实，而且第二透明活塞管7抽气越多，两个竖向管内的液体25的深度差越大。

上述过程中，也可以关闭开关阀15，则用第一透明活塞管19抽气，其带来的气体压力降低效果更加明显，因为密闭空间更小、抽出气量相同必然会导致气压更低。

然后在开启开关阀15的基础上，继续用第一透明活塞管19抽气，同样的道理，第一透明活塞管19抽气越多，两个竖向管内的液体25的深度差越大。通过透明活塞管上和“U”形透明管上的刻度线5可以大概了解，抽气量的变化与两个竖向管内的液体25的深度差变化之间的对应关系，了解更多的气压变化过程。

除了上述抽气演示大气压的方式，还可以采用蒸汽变化导致气体热胀冷缩以及蒸汽冷凝减少气体量的方式来改变气压，具体方式是：取下第五密封塞9，向透明箱8内注入液体25，液体25采用自来水，然后将棒形电加热器2的电源接通，棒形电加热器2的电加热棒4发热并最终使水沸腾，产生蒸汽，然后关闭棒形电加热器2的电源，并安装好第五密封塞9，此时透明箱8内的气体温度较高，密度较低，但第一“U”形透明管23的两个竖向管内的液体25受到的压力一致，所以基本没有高度差；随着时间推移，透明箱8内的蒸汽温度降低，本身气体密度增大，对应体积减小，其气体压力会减小，同时蒸汽会凝结成水，使气体量减小，进一步使气体压力减小，所以同样会产生与上述抽气过程类似的效果，即第一“U”形透明管23的靠近其第二端的竖向管内的液体25的深度会逐渐高于靠近其第一端的竖向管内的液体25的深度，从而以另一种方式演示了大气压存在的事实。

演示实验实施例2：

如图3所示，取下第一密封塞22、第二密封塞24和第三密封塞18，关闭开关阀15，此时第五密封塞9与本实验无关；在所述第一透明圆柱空心管的下端口处紧贴一张表面光滑的薄片26(薄片26可以为塑料瓶或玻璃片等，表面光滑且较薄即可)并用手压住，通过第一“U”形透明管23的第一开口端向第一“U”形透明管23内加入液体25并使液体25在第一“U”形透明管23的两个竖向管内的深度接近中部，此时因为两个竖向管内的液体25受到的压力均为一个大气压(即均与外界空气相通)，所以两个竖向管内的液体25的深度相同；然后安装好第一密封塞22和第三密封塞18，通过第一透明活塞管19抽气，此时第一“U”形透明管23的靠近其第一端的竖向管内的液体25会向靠近其第二端的竖向管流动，直到两端受到的气压相同为止；可以看见，第一“U”形透明管23的靠近其第二端的竖向管内的液体25的深度高于靠近其第一端的竖向管内的液体25的深度，但其深度差要小于实施例1，因为第一密封塞22封闭了外界空气，不能持续提供一个大气压力；然后，松开压住薄片26的手，此时由于薄片26与所述第一透明圆柱空心管的下端口之间基本处于密封状态，空气很难进入第一“U”形透明管23内，且同时因为第一“U”形透明管23的两个竖向管上部的气体压力均小于一个大气压，所以空气的一个大气压会由下而上将薄片26和第一“U”形透明管23内的液体托住使其不会下流，这样更加形象地展示了大气压存在的事实。

演示实验实施例3：

如图4所示，取下第五密封塞9，安装好第四密封塞11，关闭开关阀15，此时第一密封塞22、第二密封塞24和第三密封塞18与本实验无关；通过第二透明活塞管7抽气，此时气球14外部的气体压力减小，气球14内的气体压力与外界空气相同即为一个大气压，所以气球14会逐渐变大，从而以抽气+气球变化的形式演示了大气压存在的事实。

演示实验实施例4：

如图5所示，取下第五密封塞9和第四密封塞11，关闭开关阀15，此时第一密封塞22、第二密封塞24和第三密封塞18与本实验无关；通过第三透明圆柱空心管10的上端口向透明箱8内注入液体25，液体25采用自来水，注水至一定深度后安装好第五密封塞9和第四密封塞11；然后将棒形电加热器2的电源接通，棒形电加热器2的电加热棒4发热并最终使水沸腾，产生蒸汽，在此过程中，透明箱8内的气体量随着蒸汽产生而增加，所以整体气体压力会增加，气球14外部的气体压力增大，气球14内的气体压力与外界空气相同即为一个大气压，所以气球14会收缩，收缩后气球14内的气体压力也会增加，所以收缩幅度不会很大；然后取下第四密封塞11，气球14内的部分气体排出使其气球14内的气体压力为一个大气压，气球14会进一步收缩；如图6所示，然后关闭棒形电加热器2的电源，随着时间推移，透明箱8内的蒸汽温度降低，本身气体密度增大，对应体积减小，其气体压力会减小，同时蒸汽会凝结成水，使气体量减小，进一步使透明箱8内的气体压力减小，而气球14内的气体压力始终为一个大气压，所以气球14会逐渐变大；从而以蒸汽+气球变化的形式演示了大气压存在的事实。上述过程中，可以通过透明箱8上的刻度线更形象、准确地了解蒸汽变化与气球14变化的过程和变化比例。

说明：上述所有实施例中，第二密封塞24和第三密封塞18还有排泄实验完成后废水的功能。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (1)

1.一种教学用多功能大气压演示实验装置，其特征在于：包括支撑架、第一“U”形透明管、第二“U”形透明管、倒“U”形透明管、透明箱、第一透明活塞管、第二透明活塞管、棒形电加热器、开关阀和气球，开口两端向上的所述第一“U”形透明管的第一开口端安装有第一密封塞，所述第一“U”形透明管的中部下端设有向下突出的第一透明圆柱空心管，所述第一透明圆柱空心管的下端端口在水平方向齐平、光滑且该端口安装有第二密封塞，所述第一“U”形透明管的第二开口端与开口两端向下的所述倒“U”形透明管的第一开口端相通连接，所述倒“U”形透明管的第二开口端与开口两端向上的所述第二“U”形透明管的第一开口端相通连接，所述第二“U”形透明管的中部下端设有向下突出的第二透明圆柱空心管且所述第二透明圆柱空心管的下端端口安装有第三密封塞，所述第二“U”形透明管上位于自身第一开口端与所述第二透明圆柱空心管之间的位置相通安装有所述第一透明活塞管，所述第二“U”形透明管上位于自身第二开口端与所述第二透明圆柱空心管之间的位置相通安装有所述开关阀，所述第二“U”形透明管的第二开口端与全封闭的所述透明箱的一侧底部相通连接，所述透明箱的顶部中心位置密封安装有竖向的气管，所述气管的上端置于所述透明箱外且其端口安装有第四密封塞，所述气管的下端置于所述透明箱内且其端口密封套装有所述气球，所述透明箱的顶部位于所述气管旁边的位置设有向上突出的第三透明圆柱空心管且所述第三透明圆柱空心管的上端端口安装有第五密封塞，所述透明箱的底部设有向下突出的第四透明圆柱空心管，所述第四透明圆柱空心管的下端端口密封安装有所述棒形电加热器且所述棒形电加热器的电加热棒置于所述第四透明圆柱空心管内，所述透明箱的侧壁上相通安装有所述第二透明活塞管；所述透明箱的箱壁外表面上、所述第一透明活塞管的透明管壁外表面上、所述第二透明活塞管的透明管壁外表面上、所述第一“U”形透明管的两端竖向管壁外表面上、所述倒“U”形透明管靠近其第一开口端的一侧竖向管壁外表面上分别设有刻度线；所述支撑架包括支撑底座和支撑竖杆，所述倒“U”形透明管的中部和所述透明箱的下部分别通过所述支撑竖杆安装于所述支撑底座上；所述第一“U”形透明管、所述第一透明圆柱空心管、所述倒“U”形透明管、所述第二“U”形透明管、所述第二透明圆柱空心管和所述第一透明活塞管均一体成型且为钢化玻璃管，所述第二“U”形透明管上靠近其第二开口端一侧的管的长度比靠近其第一开口端一侧的管的长度短；所述透明箱的一侧底部设有连接透明管，所述透明箱、所述连接透明管、所述第三透明圆柱空心管、所述第四透明圆柱空心管和所述第二透明活塞管均一体成型，所述透明箱为钢化玻璃箱，所述连接透明管、所述第三透明圆柱空心管、所述第四透明圆柱空心管和所述第二透明活塞管均为钢化玻璃管，所述第二“U”形透明管的第二开口端通过不锈钢管与所述连接透明管相通连接，所述开关阀安装于所述不锈钢管上。

Images