CN2110903U

CN2110903U - 焦耳定律演示仪

Info

Publication number: CN2110903U
Application number: CN 91221825
Authority: CN
Inventors: 张俊生; 贺善荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1992-07-22

Abstract

焦耳定律演示仪，本实用新型公开了一种中学物理教学仪器。在T形木架上固定两只同容积玻璃瓶，将阻比为1比2的两根电阻丝分别密闭其中。两瓶胶塞上分别装有同规格玻璃管，管内装有等量色水，以指示瓶内空气受热后体积变化。T形架上装有标尺，以便观察记录实验数据。本实用新型自成一体，用空气作受热物质，因而实验时间短，变化效果明显，易于观察，解决了教科书中用煤油作受热物质所造成的腐蚀瓶塞、污染空气、加热时间长、准备时间长的问题，且能用来演示功率与电压、电阻的关系。

Description

本实用新型提供一种焦耳定律演示仪器，以方便中学物理教学。

现行初中物理（第二册196页）教科书中是以如下方式演示焦耳定律的：

如图2所示，在Ⅰ、Ⅱ两个相同的瓶子里装满煤油，各放一根电阻丝，Ⅰ瓶中电阻丝的电阻比Ⅱ瓶中的大。接通电路，煤油受热膨胀。可以看到Ⅰ瓶玻璃管中的煤油比Ⅱ瓶上升得高。这两根电阻丝是串联着的，电流强度和通电时间都相等，只是Ⅰ瓶电阻丝的电阻比Ⅱ瓶的大，可见，电阻越大，电流产生的热量越多。调节滑动变阻器，使电路中的电阻减少，然后闭合电键，使通电时间跟前次实验的相等。可以看到电路中的电流强度变大，两管中的煤油都比前次实验上升得高。可见，电流强度越大，电流产生的热量越多。在上面的两次实验里都可以看出，通电时间越长，电流产生的热量越多。

从而演示了焦耳定律：电流流过导体产生的热量，跟电流强度的平方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比，即Q＝I²RT。

上述实验有以下不足：一是仅能定性演示而不能定量演示；二是煤油比热大、膨胀系数小，得到明显变化所需时间较长；三是实验准备时间长，煤油易弄污手、桌、腐蚀胶塞（用一两次就需更换）、污染空气。

本实用新型的任务是要提供一种操作简便、实验时间短、基本上能够定量演示焦耳定律的教学仪器。

本实用新型的任务是以如下方式完成的：在两相同玻璃瓶中分别密闭装有一根电阻丝，二者电阻比为1：2，以空气作为受热物质，两瓶插有相同内径的玻璃管，其中装有等量的色水，用以指示瓶内空气体积变化。两瓶固于T形架上。T形架上装有标尺、接线柱（见附图1）。实验时将该仪器串入由电源、电键、变阻器、电流表联成的电路中即可（见附图3）。

以下将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

图1是本实用新型的斜视图。

图2是初中第二册物理教科书中实验图。

图3是本实用新型的实验图。

图4是用本实用新型演示（N＝ (V²)/(R) ）电阻与功率关系的实验图。

参照图1，在宽30厘米长50厘米厚2厘米的座板〔1〕上固定一块50×50×2厘米的立板〔6〕，其下部开有两个与锥形瓶〔2〕、〔14〕相应的V形口，使锥形瓶〔2〕、〔14〕部分嵌入，以使瓶颈贴近立板〔6〕。锥形瓶〔2〕、〔14〕容积都为250毫升，各种尺寸相同，用胶粘在座板〔1〕上。为了教学方便，左边瓶〔14〕上标有“甲”，右边瓶〔2〕上标有“乙”。甲瓶中装有2欧姆的电阻丝〔13〕，乙瓶中装有4欧姆的电阻丝〔3〕，两瓶分别用相同胶塞密封，并分别插有30－50厘米内径为2－4毫米的玻璃管〔9〕、〔7〕，管内装有3－5厘米高的红色水柱，由于各种参数相同，两管中的水柱在管壁吸附力及瓶中空气压力的作用下平衡在相同高度，管顶用胶帽〔15〕密封，以防蒸发、流出，实验时将胶帽〔15〕取下。若色水损耗较多，可用滴管加入。在立板〔6〕中央装有标尺〔8〕，刻度间隔1厘米，标注数码。标尺〔8〕可上下滑动，以便实验开始前使“0”刻度对准水柱上平面。立板〔6〕上装有三个接线柱〔4〕、〔11〕、〔12〕，将两电阻丝〔3〕、〔13〕串联在一起。

实验时，将0－1.5A电流计、6V电源、电键、滑动变阻器各一件与本实用新型串成图3所示电路。

由于密闭在两瓶中的空气质量不变且相等，在受热过程中作等压膨胀，因而根据理想气体状态方程 (P₀V₀)/(T₀) ＝ (P₁V₁)/(T₁) 则有关系式 (V₀)/(T₀) ＝ (V₁)/(T₁) ，即 (V₀)/(T₀) ＝ (V₀+△hS)/(T₀+△T) ，整理得：△T＝ (ST₀)/(V₀) △h（V₀，T₀为实验开始状态参数；V₁，T₁为实验中观察记录的任一时刻参数；S为玻璃管内孔截面积；△h为水柱变化高度）。由于S，T₀，V₀为常量，可见，瓶内空气温度的变化量△T亦即电流所生热量Q（因为Q与△T的关系为一次函数）与玻璃管中显示的空气体积变化量△h成正比，也就是△h直接指示出电流所生热量多少。在实验中可以明显看出，电阻大的瓶中空气体积的变化量是小电阻瓶的两倍，即电流所生热量与电阻成正比。改变变阻器阻值使电路中电流增大一倍，时间与前次相等，比较两次实验同一瓶中空气体积变化量，可见后次是前次的4倍，即电流所生热量与电流的平方成正比。在实验中分时间段记录4h，可以看出电流所生热量与通电时间成正比。从而定量演示了焦耳定律。又由于空气比热小、膨胀系数大（相对于煤油而言），因而达到了省时的目的。

本实用新型除了上述的优点外，还可以联成图4所示电路，用来演示功率N与电阻R、电压V的关系N＝ (V²)/(R) 。

实验方法是：如图4所示电路，两电阻丝并联，用6V电源，通电时间t时，记录水柱上平面高度，比较甲、乙两瓶，可见甲瓶高度是乙瓶高度的两倍，反复数次皆然，说明N与R成反比。更换12V电源重复上述过程，各瓶分别与前段比较相同时间时的数据，可以发现电压升高一倍，水柱高度是原来的4倍，从而推导出N与V的平方成正比。

本实用新型装于一体，缩短了实验准备时间，且一物多用，造价低廉，干净方便。

Claims

1、由两个相同规格的玻璃瓶、两根不同阻值的电阻丝、两根同规格的玻璃管、两个胶塞组成的焦耳定律演示装置，其特征是两玻璃瓶固于T形架上，其内分别密闭装有一根电阻丝，两者阻比成整数倍，两玻璃管中装有等量色水，两瓶内封闭着等量空气作为受热物质，T形架立板上装有标尺、接线柱。

2、按权利要求1所述的焦耳定律演示装置，其特征是两根电阻丝的比值为1：2。

3、按权利要求1或2所述的焦耳定律演示装置，其特征是玻璃管的内径为2－4毫米，长度30－50厘米。

4、按权利要求3所述的焦耳定律演示装置，其特征是两个玻璃瓶为锥形瓶，容积都是250毫升。

5、按权利要求4所述的焦耳定律演示装置，其特征是两根电阻丝阻值分别为2欧姆和4欧姆。

6、按权利要求5所述的焦耳定律演示装置，其特征是玻璃管中色水为红色，高度为3－5厘米。