CN110444092A - 探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置和方法，其装置包括支撑架，所述支撑架包括放置平台和夹持单元，所述支撑架上方具有铁架台和位于所述铁架台下方的酒精灯，所述铁架台上具有盛有水溶液的烧杯，所述夹持单元上夹持有试管和温度传感器以使所述试管和温度传感器位于所述烧杯内，所述试管内盛有具有多余溶质的饱和溶液，所述温度传感器连接于微处理器，所述微处理器连接有显示模块。提供一种包含温度传感器、微处理器和显示模块的实验装置，能够将实验过程数据化，便于学生实时了解溶液的当前温度，使学生对于温度的变化有较为精确的概念，加强实验教学效果。
Description
技术领域
本发明属于实验教学器材技术领域，尤其是涉及一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置和方法。
背景技术
初中科学教学过程中会碰到很多科学定律，老师通常会通过口述、现场实验或者视频实验的方式让学生学习相关的科学定律。例如，我们都知道随着温度的变化，溶质在溶液中的状态会发生变化，对于具有多余溶质的饱和溶液而言，加热溶液能够使多余溶质慢慢溶解，即加热溶液的方式能够增加溶质在溶液中的溶解度。在目前的教学中，老师通常会使用不同浓度的食盐水进行实验，例如准备至少两个具有100ml，25摄氏度水溶液的烧杯，两个烧杯中分别加入5g和40g的食盐，充分搅拌可以看到5g食盐全部溶解，40g食盐的烧杯中仍然有多余的食盐溶质，以此告诉学生在25度的100ml水溶液中能够溶解多余5g少于40g的实验，40g食盐的烧杯中的溶液处于饱和状态。然后使用酒精灯加热40g实验的烧杯，随着温度的升高，原先饱和溶液里面多余的容置会继续溶解，以此告诉学生，温度的升高能够提高溶液溶解溶质的能力。
但是上述实验过程学生/老师不能实时获取水温的变化；并且上述方案只能探究一个实验，不能同时探究热冰现象。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置；
本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种液探究温度对溶液饱和度影响用的实验装方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，包括支撑架，所述支撑架包括放置平台和夹持单元，所述支撑架上方具有铁架台和位于所述铁架台下方的酒精灯，所述铁架台上具有盛有水溶液的烧杯，所述夹持单元上夹持有试管和温度传感器以使所述试管和温度传感器位于所述烧杯内，所述试管内盛有具有多余溶质的饱和溶液，所述温度传感器连接于微处理器，所述微处理器连接有显示模块。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述夹持单元包括直立固定在所述放置平台上的立杆和通过高度调节结构垂直连接在所述立杆上的水平杆，且所述水平杆远离所述立杆的一端固定有夹持部。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述高度调节结构包括具有U型槽和弧形槽的安装座，以及两个调节螺杆，所述弧形槽位于所述U型槽的槽壁外部且背对所述U型槽，所述U型槽的槽壁外部一端位于所述弧形槽的下方延伸有延伸平面，所述延伸平面上具有与所述弧形槽相对设置的安装部，所述安装部及U型槽远离所述弧形槽的槽壁上均开设有螺纹孔，所述安装座通过穿过U型槽上螺纹孔的调节螺杆固定在立杆上，所述水平杆通过穿过安装部上螺纹孔的调节螺杆固定在所述安装座上。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述夹持部包括相对设置的第一夹持片和第二夹持片，其中第一夹持片固定在所述水平杆上，所述第二夹持片铰接连接于所述第一夹持片，且第一夹持片和第二夹持片之间具有用于调节夹持角度的角度调节结构。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述角度调节结构包括贯穿螺杆、碟帽及分别开设在第一夹持片和第二夹持片上的过孔，所述贯穿螺杆依次穿过两个过孔，所述碟帽螺接在贯穿螺杆远离螺杆帽的一端，且所述第一夹持片和第二夹持片位于所述螺杆帽和碟帽之间。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述第一夹持片或第二夹持片上具有将温度传感器的数据传输线夹持在试管侧壁的弹性结构。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置中，所述弹性结构包括与所述第一夹持片或第二夹持片铰接的夹片，所述夹片上连接有弹簧，所述弹簧的另一端连接至所述第一夹持片或第二夹持片。
一种探究温度对溶液饱和度影响的实验方法，包括：
A.探究温度对溶液饱和度影响，准备各实验器材；
将一份具有多余溶质的饱和醋酸钠溶液倒入试管中，将试管放入盛有水溶液的烧杯中，点燃酒精灯以使用水浴法加热试管；
加热的过程中通过温度传感器实时检测水溶液温度，由微处理器记录温度数据并显示在显示模块上。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响的实验方法中，所述的微处理器将水溶液温度数据按时间轴做成随时间变化的温度曲线，所述显示模块上显示内容包括有温度曲线和当前温度值。
在上述的探究温度对溶液饱和度影响的实验方法中，在步骤A探究结束后，还包括以下步骤：
B.探究热冰现象，熄灭酒精灯；
继续检测水溶液温度，随着水温的降低，醋酸钠溶液由饱和溶液/不饱和溶液变为不稳定的过饱和溶液；
当水溶液温度降低到预设温度时，向溶液中加入醋酸钠溶质以使过饱和溶液的状态失衡，过多醋酸钠溶质析出，结晶过程中大量放热从而形成热冰现象。
本发明的优点在于：提供一种包含温度传感器、微处理器和显示模块的实验装置，能够将实验过程数据化，便于学生实时了解溶液的当前温度，使学生对于温度的变化有较为精确的概念，加强实验教学效果；使用具有放置平台和夹持单元的的支撑架，使用支撑架支撑实验装置，便于整体移动和转移，使用夹持单元夹持试管和温度传感器，保持温度传感器和试管的稳定性，同时能够控制两者在烧杯中的高度，并使使温度传感器靠近试管，使测量温度更接近试管内溶液的真实温度。
附图说明
图1是本发明实施例一中实验装置的电路连接示意图；
图2是本发明实施例一中实验装置的结构示意图；
图3是本发明实施例一中安装座的结构示意；
图4是本发明实施例一中夹持单元的结构示意图；
图5是本发明实施例一中夹持单元未夹持试管时候的结构示意图；
图6是本发明实施例一中夹片为弧形片状结构时候夹持单元夹持试管的夹持示意图；
图7是本发明实施例二中夹片由弹性材料制成时候夹持单元夹持试管的夹持示意图。
附图标记：铁架台11；酒精灯12；水溶液13；烧杯14；试管15；饱和溶液16；温度传感器21；感温探头211；数据传输线212；微处理器22；显示模块23；支撑架3；放置平台31；夹持单元32；立杆33；水平杆34；高度调节结构4；U型槽41；弧形槽42；调节螺杆43；延伸平面44；安装部45；夹持部5；第一夹持片51；第二夹持片52；角度调节结构6；贯穿螺杆61；碟帽62；螺杆帽63；弹性结构7；夹片71；弹簧72。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例公开了一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，包括支撑架3，所述支撑架3包括放置平台31和夹持单元32，所述支撑架3上方具有铁架台11和位于所述铁架台11下方的酒精灯12，所述铁架台11上具有盛有水溶液13的烧杯14，所述夹持单元32上夹持有试管15和温度传感器21以使所述试管15和温度传感器21位于所述烧杯14内，所述试管15内盛有具有多余溶质的饱和溶液16，所述温度传感器21连接于微处理器22，所述微处理器22连接有显示模块23。本领域技术人员应当知道，微处理器11和显示模块23均由供电电路供电，这里不再赘述。
具体地，这里的饱和溶液16可以为氯化钠溶液、醋酸钠溶液等。饱和溶液16的液面低于水溶液13液面，这样在加热的过程中能够保证整个饱和溶液16位于水溶液13中。并且这里将具有饱和溶液16的试管4放置在具有水溶液13的烧杯14中，通过加热水溶液13的方式加热饱和溶液16，能够使整个饱和溶液16在水浴中加热，保证受热均匀，提高实验效果。
具体地，这里的微处理器22可以为ARM单片机等；显示模块23可以为OLED显示屏模块、数码管显示器或LCD显示屏等。
优选地，微处理器22连接于电脑，相应地，显示模块23可以为电脑的自带显示屏。
具体地，温度传感器21包括感温探头211和数据传输线212，温度传感器21可以采用NTC温度传感器或PTC温度传感器等，型号可以为ds 18b20温度传感器，具体不在此进行限制，所述感温探头211位于所述烧杯14内，所述温度传感器5通过数据传输线212连接于所述微处理器22，数据传输线212可以直接连接于微处理器22或者通过转接线连接于微处理器22，这里根据微处理器22和温度传感器21的具体型号确定。感温探头211用于检测水溶液13温度，然后将温度数据发送给微处理器22，微处理器22再将温度数据通过显示模块23显示以便于学生实时获取当前温度，使学生对于温度的变化有较为精确的概念，加强实验教学效果。
放置平台31上可以设置多个定位槽和一个限位槽，定位槽用于定位各种规格铁架台11的多个支脚，限位槽用于限位酒精灯12，且限位槽底部可以设置防滑垫来提高酒精灯的稳定性，便于移动和存储。
具体地，夹持单元32包括直立固定在所述放置平台31上的立杆33和通过高度调节结构4垂直连接在所述立杆33上的水平杆34，且所述水平杆34远离所述立杆33的一端固定有夹持部5。
其中，如图3所示，高度调节结构4包括具有U型槽41和弧形槽42的安装座，以及两个调节螺杆43，所述弧形槽42位于所述U型槽41的槽壁外部且背对所述U型槽41，所述U型槽41的槽壁外部一端位于所述弧形槽42的下方延伸有延伸平面44，所述延伸平面44上具有与所述弧形槽42相对设置的安装部45，安装部45与延伸平面44构成L型结构，所述安装部45及U型槽41远离所述弧形槽42的槽壁上均开设有螺纹孔，所述安装座通过穿过U型槽41上螺纹孔的调节螺杆43固定在立杆33上，所述水平杆34通过穿过安装部45上螺纹孔的调节螺杆43固定在所述安装座上。当需要调节水平杆41高度的时候，拧松U型槽41上的调节螺杆43然后移动安装座至目标高度后重新拧紧该调节螺杆43即可；当需要调节水平杆41的水平位置时，拧松安装部45上调节螺杆43，然后左右移动水平杆41至目标位置后重新拧紧该调节螺杆43即可。
进一步地，如图4所示，夹持部5包括相对设置的第一夹持片51和第二夹持片52，其中第一夹持片51固定在所述水平杆34上，所述第二夹持片52铰接连接于所述第一夹持片51，且第一夹持片51和第二夹持片52之间具有用于调节夹持角度的角度调节结构6。
具体地，角度调节结构6包括贯穿螺杆61、碟帽62及分别开设在第一夹持片51和第二夹持片52上的过孔，所述贯穿螺杆61依次穿过两个过孔，所述碟帽62螺接在贯穿螺杆61远离螺杆帽63的一端，且所述第一夹持片51和第二夹持片52位于所述螺杆帽63和碟帽62之间以通过旋转碟帽62调整夹持角度的大小。
进一步地，如图5所示，第一夹持片51或第二夹持片52上还具有将温度传感器21的数据传输线夹持在试管侧壁的弹性结构7。
这里的弹性结构7包括与所述第一夹持片51或第二夹持片52铰接的夹片71，所述夹片71上连接有弹簧72，所述弹簧72的另一端连接至所述第一夹持片51或第二夹持片52。投入使用时，将试管15放置在第一夹持片51和第二夹持片52之间，同时试管15拨开夹片71使弹簧72拉伸，然后逆时针或顺时针旋转碟帽62使第一夹持片51和第二夹持片52夹紧试管15，此时，夹片71由于弹簧的弹力会对试管15具有一个压紧力，然后可以用手进一步拨开夹片71将数据传输线212放置在试管15和夹片71之间即可放开夹片71以将数据传输线212夹持在试管侧壁处。夹片71可以为矩形片状结构，也可以为弧形片状结构。进一步地，如图6所示，夹片71靠近试管15的一面可以有若干凹槽以增加夹片71与数据传输线212之间的接触面积。
实施例二
如图7所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的弹性结构7包括连接在第一夹持片51或第二夹持片52内的夹片71，夹片上可以没有弹簧72，夹片71采用具有弹性的材料，例如橡胶材料或复合材料等制成，这样，在夹片71对试管15具有压紧力的同时，夹片会因为反作用力而倾斜及变形，从而增加夹片71与试管15及数据传输线212之间的接触面积。
实施例三
本实施公开了一种基于实施例一中实验装置的实验方法，包括：
A.探究温度对溶液饱和度影响，准备各实验器材；
将一份具有多余溶质的饱和醋酸钠溶液倒入试管15中，将试管15放入盛有水溶液13的烧杯14中，点燃酒精灯12以使用水浴法加热试管15；
加热的过程中通过温度传感器21实时检测水溶液13温度，由微处理器22记录温度数据并显示在显示模块23上。
所述的微处理器22将水溶液13温度数据按时间轴做成随时间变化的温度曲线，所述显示模块23上显示内容包括有温度曲线和当前温度值。
在加热的过程中，随着温度的上升多余溶质慢慢溶解，且当温度达到一定值的时候，醋酸钠溶液中的多余溶质完全溶解，若一开始知道饱和醋酸钠溶液41中溶质的总质量，那么就可以知道在多余溶质全部溶解的当前温度下，醋酸钠在水溶液中的溶解度是多少。
上述实验使用的溶质为醋酸钠，饱和醋酸钠溶液在冷却之后，会转变为过饱和溶液，处于亚稳态，当加入一些固体晶体的时候会失去平衡而发生热冰现象，所以可以在前述实验探究结束后，继续进行热冰实验的探究。
在步骤A探究结束后，还包括以下步骤：
B.探究热冰现象，熄灭酒精灯12；
继续检测水溶液13温度，随着水温的降低，醋酸钠溶液由饱和溶液/不饱和溶液变为不稳定的过饱和溶液；
当水溶液13温度降低到预设温度时，向溶液中加入醋酸钠溶质以使过饱和溶液的状态失衡，过多醋酸钠溶质析出，结晶过程中大量放热从而形成热冰现象。
其中，预设温度可以由老师根据溶质在溶液中的含量等情况预先确定；或者，预设温度为室温，当水溶液温度降低到室温的时候向溶液中加入醋酸钠溶质，冷却的方式可以为自然冷却方式或外部辅助方式，外部辅助可以为吹冷风、冰敷等方式，一般在课堂上，采用自然冷却的方式，在冷却的过程中，老师继续教学其他内容。
优选地，微处理器23还可以连接有一蜂鸣器，当温度高于某温度或低于某温度时可以驱动蜂鸣器以提示师生已到达需要的温度，这样在自然冷却的时候，老师就可以继续上课，由温度传感器21监测温度，当温度达到预设温度时，蜂鸣器响，老师再继续实验。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了铁架台11；酒精灯12；水溶液13；烧杯14；试管15；饱和溶液16；温度传感器21；感温探头211；数据传输线212；微处理器22；显示模块23；放置平台31；夹持单元32；立杆33；水平杆34；高度调节结构4；U型槽41；弧形槽42；调节螺杆43；延伸平面44；安装部45；夹持部5；第一夹持片51；第二夹持片52；角度调节结构6；贯穿螺杆61；碟帽62；螺杆帽63；弹性结构7；夹片71；弹簧72等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，包括支撑架(3)，所述支撑架(3)包括放置平台(31)和夹持单元(32)，所述支撑架(3)上方具有铁架台(11)和位于所述铁架台(11)下方的酒精灯(12)，所述铁架台(11)上具有盛有水溶液(13)的烧杯(14)，所述夹持单元(32)上夹持有试管(15)和温度传感器(21)以使所述试管(15)和温度传感器(21)位于所述烧杯(14)内，所述试管(15)内盛有具有多余溶质的饱和溶液(16)，所述温度传感器(21)连接于微处理器(22)，所述微处理器(22)连接有显示模块(23)。
2.根据权利要求1所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述夹持单元(32)包括直立固定在所述放置平台(31)上的立杆(33)和通过高度调节结构(4)垂直连接在所述立杆(33)上的水平杆(34)，且所述水平杆(34)远离所述立杆(33)的一端固定有夹持部(5)。
3.根据权利要求2所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述高度调节结构(4)包括具有U型槽(41)和弧形槽(42)的安装座，以及两个调节螺杆(43)，所述弧形槽(42)位于所述U型槽(41)的槽壁外部且背对所述U型槽(41)，所述U型槽(41)的槽壁外部一端位于所述弧形槽(42)的下方延伸有延伸平面(44)，所述延伸平面(44)上具有与所述弧形槽(42)相对设置的安装部(45)，所述安装部(45)及U型槽(41)远离所述弧形槽(42)的槽壁上均开设有螺纹孔，所述安装座通过穿过U型槽(41)上螺纹孔的调节螺杆(43)固定在立杆(33)上，所述水平杆(34)通过穿过安装部(45)上螺纹孔的调节螺杆(43)固定在所述安装座上。
4.根据权利要求2所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述夹持部(5)包括相对设置的第一夹持片(51)和第二夹持片(52)，其中第一夹持片(51)固定在所述水平杆(34)上，所述第二夹持片(52)铰接连接于所述第一夹持片(51)，且第一夹持片(51)和第二夹持片(52)之间具有用于调节夹持角度的角度调节结构(6)。
5.根据权利要求4所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述角度调节结构(6)包括贯穿螺杆(61)、碟帽(62)及分别开设在第一夹持片(51)和第二夹持片(52)上的过孔，所述贯穿螺杆(61)依次穿过两个过孔，所述碟帽(62)螺接在贯穿螺杆(61)远离螺杆帽(63)的一端，且所述第一夹持片(51)和第二夹持片(52)位于所述螺杆帽(63)和碟帽(62)之间。
6.根据权利要求5所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述第一夹持片(51)或第二夹持片(52)上具有将温度传感器(21)的数据传输线夹持在试管(15)侧壁的弹性结构(7)。
7.根据权利要求6所述的探究温度对溶液饱和度影响用的实验装置，其特征在于，所述弹性结构(7)包括与所述第一夹持片(51)或第二夹持片(52)铰接的夹片(71)，所述夹片(71)上连接有弹簧(72)，所述弹簧(72)的另一端连接至所述第一夹持片(51)或第二夹持片(52)。
8.一种探究温度对溶液饱和度影响的实验方法，其特征在于，包括：
A.探究温度对溶液饱和度影响，准备各实验器材；
将一份具有多余溶质的饱和醋酸钠溶液倒入试管(15)中，将试管(15)放入盛有水溶液(13)的烧杯(14)中，点燃酒精灯(12)以使用水浴法加热试管(15)；
加热的过程中通过温度传感器(21)实时检测水溶液(13)温度，由微处理器(22)记录温度数据并显示在显示模块(23)上。
9.根据权利要求8所述的探究温度对溶液饱和度影响的实验方法，其特征在于，所述的微处理器(22)将水溶液(13)温度数据按时间轴做成随时间变化的温度曲线，所述显示模块(23)上显示内容包括有温度曲线和当前温度值。
10.根据权利要求8所述的探究温度对溶液饱和度影响的实验方法，其特征在于，在步骤A探究结束后，还包括以下步骤：
B.探究热冰现象，熄灭酒精灯(12)；
继续检测水溶液(13)温度，随着水温的降低，醋酸钠溶液由饱和溶液/不饱和溶液变为不稳定的过饱和溶液；
当水溶液(13)温度降低到预设温度时，向溶液中加入醋酸钠溶质以使过饱和溶液的状态失衡，过多醋酸钠溶质析出，结晶过程中大量放热从而形成热冰现象。
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