CN2348446Y - 焦耳定律演示器 - Google Patents

Abstract

一种焦耳定律演示器,属于初中物理教学演示实验仪器。它是由内装电热丝的密闭容器和水平放置的玻璃管构成的气体定压温度计。现象显示部分的底板、刻度尺、玻璃管均为透明体,便于利用投影器对其进行放大。密闭容器另设有一个进出气嘴,实验中读数时将其打开,盒内气压瞬间通过进出气嘴与外界进行交换,致使液柱两端的气压相等而静止下来。它成功地解决了焦耳定律实验定量性差、读数难且误差大以及实验现象可见度太小的问题。

Description

焦耳定律演示器

本实用新型是一种供初中物理教学用于验证焦耳定律的演示实验仪器。

焦耳定律实验是初中物理教学内容的一个重点，但由于没有理想的实验仪器，一直构成了物理教学中的一个难点。现行人民教育出版社出版的初中物理教材提供的实验装置，是在两个烧瓶中加满煤油，在其中分别设置有电热丝，用胶塞密封后再在其中插上直径相同的直玻璃管。对电热丝通电，电热丝起热使煤油受热膨胀，煤油沿玻璃管上升，煤油上升的高低，反映电热丝产生热量的多少，以此演示焦耳定律。该装置存在有明显的问题：(1)感温物体选用液体(煤油)，受热膨胀(温度不超过其沸点)时，体积变化幅度小、速度慢、实验现象不够明显，实验过程长；(2)“毛细管”(玻璃管)的截面积和“感温泡”(烧瓶)的容积较大，以致热惰性较大，灵敏度较低；(3)玻璃容器烧瓶是热的良导体，再加上烧瓶体表面积较大，实验过程较长，热量散失严重，因此误差较大，只能作定性说明而已。再者，目前国内有10多个厂家生产的属同一机型的最常见的焦耳定律演示器，在底座上竖直地固定着一个白色面板，在面板的中央竖直地贴有一个以“厘米”为基本单位的刻度尺，刻度尺两旁对称地固定着两个“U”形玻璃管，分别与两个密闭容器相接通。主体部分是一个由“U”形玻璃管和密闭容器组成的气体温度计。密闭容器内装有电热丝。实验开始时两“U”形玻璃管内装有等高的液柱，对电热丝通电，密闭容器盒内的气体受热膨胀，从而推动“U”形玻璃管内的液柱上升，液柱上升的高低反应电流作功即电热丝产生热量的多少。该仪器感温物质选用气体，受热膨胀时体积变化幅度大、速度快，实验过程短，灵敏度高；密闭容器选用塑料盒(塑料是热的不良导体)，从而大大减小了热量散失。但该仪器也存在有明显的问题：(1)定量演示效果差，不符合气体定压或定容温度计的条件，设计原理错误。在实验中，P、V、T三个量都在发生变化，致使液柱上升越高，由液柱差形成的负压越大，示值误差越大。液柱上升高的比低的误差更大。因此该类型装置定量性很差，也只能作定性说明而已。(2)作为演示仪器可见度太小。刻度尺总高为14cm，玻璃管直径仅6～7cm,4m远以外即很难看清液柱位置和刻度，教室内中后排学生根本看不到实验现象。(3)读取液柱示值难且误差大。要使读取数值准确，必须同时快捷、准确地读取两“U”形玻璃管中液柱的位置，但根本不可能做到。在实验时液柱是处在一直向上运动当中，读取时视差较大。况且在读取示值时一人只能读取一个“U”形管中液柱的位置后再转向去读取另一个的，这之间存在有时间差，由此所造成的读数误差就更大。(4)中止实验时，切断电源稍慢，液柱即从玻璃管中流出，作下一步实验还要重新加注液体做液柱。总之，以上两种装置均不能达到定量演示的效果，性能和实验效果也较差，操作、使用很不方便，不能满足教学需要。

本实用新型的目的是提供一套能够定量、直观地显示通电导体产生的热量与通过导体的电流强度、导体的电阻以及通电时间的关系(即焦耳定律)的，采用透明材料制成的、能与投影器配合、利用投影器对装置的示值部分有效投影放大后具有足够清晰可见度的，并具有记忆功能、便于读取刻度示值的焦耳定律演示器。

本实用新型的目的是这样实现的：如附图1所示，在水平放置的透明板上，平行地固定着两支内径相同的直玻璃管，玻璃管内装有一小段彩色液柱，起封闭密闭容器盒内的气体和根据气体体积的变化指示刻度值的作用。玻璃管之间是一个透明的刻度尺。两支玻璃管通过两根等长的软胶管分别与两个等容积的密闭容器盒相连通。密闭容器盒内装有电热丝，并备有另外一个进出气嘴，用于玻璃管中液柱的调零。实验时，两个密闭容器的进出气嘴用同一个止水夹同时封闭住，读取液柱位置时，打开止水夹，两个玻璃管中的液柱即同时嗄然停止，便于读取刻度示值。工作原理是跟密闭容器盒内的电热丝通电，电热丝起热使密闭容器内的气体受热膨胀，从而推动液柱沿玻璃管向外移动，位移的多少即反映电流作功所产生热量的多少。设计原理是基于理想气体状态方程：

=衡量，由此推出：

=衡量，当ΔP一定时(实验过程中，由于玻璃管是水平放置的，密闭容器盒内的气压始终等于外界的大气压)，ΔV与ΔT即成正比。又因ΔT与电热丝产生的热量成正比，ΔV与玻璃管中液柱的位移ΔL成正比，从而得到液柱的位移与电热丝产生的热量成正比，以此来实现定量地演示焦耳定律。

由于采用上述方案，能利用投影器有效地放大其示值部分，极大地提高了实验现象的可见度，并且操作简单，便于准确地读取液柱示值，符合演示教学实验仪器的基本要求。特别是，由于正确地采用了定压气体温度计的结构原理，在定量地演示焦耳定律的问题上实现了新突破，满足了教学需要。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图中1、碗状胶脚2、透明底板3、直玻璃管4、透明刻度尺5、液柱6、玻璃管固定卡7、容器盒8、容器盒盖9、电热丝10、接线柱11、密闭容器盒进出气嘴12、止水夹13、软胶管14、电阻丝

密闭容器盒共3个，里面分别装有3Ω、6Ω和6Ω的电热丝，利用螺丝钉在盒与盖之间加上密封垫后将其紧紧地固定在一起。在其中的一个内装6Ω电热丝的密闭容器盒盖上的两接线柱间并联有一根6Ω的电阻丝(如附图2所示)。具体的使用方法。

先将带有直玻璃管和刻度尺的透明底板水平地放在投影器上，并在玻璃管中加入3～4cm长的有色液体。

1、研究通电导体产生的热量与导体的电阻的关系(此时通过导体的电流强度一定)。如附图1所示安装好仪器，松掉止水夹，通过进出气嘴调整密闭容器盒内的气压，使玻璃管中液柱的左端面位于“0”刻度线上，然后用止水夹将两个密闭容器的进出气嘴同时密封住。将两容器中的电热丝串联后接人电路，接通电源，液柱开始向右移动，由于左容器盒内电热丝的阻值是右容器盒的2倍，松掉止水夹，液柱停止移动，读取液柱位置，则上玻璃管中液柱的位移是下玻璃管的2倍，即电热丝产生的热量与导体的电阻成正比。

2、研究通电导体产生的热量与通过导体的电流强度的关系(此时导体的电阻一定)。取下右侧内装3Ω电热丝的容器盒，换上图2所示的一个内装6Ω电热丝并并联有6Ω电阻丝的容器盒。将两容器中的电热丝串联后接入电路，接通电源，此时两容盒中的电热丝阻值相等，但通过左容器盒电热丝的电流强度是并联有6Ω电阻丝的容器盒中电热丝的2倍，上玻璃管中液柱的位移始终是下玻璃管的(2²)4倍，即电热丝产生的热量与电流强度的平方成正比。

3、研究通电导体产生的热量与通电时间的关系。由以上实验可看出，随着时间的增加，电热丝产生的热量越多，而且液柱的移动速度是均匀的，即电热丝产生的热量与通电时间成正比。

Claims (3)

1、一种焦耳定律演示器，其特征是：由几个内装电热丝的密闭容器通过等长的导管分别与呈水平固定和放置的、内径相同的透明管相连通而构成的、带有刻度尺的并可用于投影使用的定压气体温度计。

2、根据权利要求1所述的焦耳定律演示器，其特征是：透明管平行且水平地固定在透明材料制成的底板上，透明管之间是透明的刻度尺，透明管内能注入起密封和指示作用的、能水平自由移动的液体，保证被密封的一定质量的气体在受热时其压强始终等于外界环境的大气压。

3、根据权利要求1所述的焦耳定律演示器，其特征是：密闭容器是用密封件密封处理的塑料制品，上面标注有内装电热丝的阻值，并设有两个进出气嘴，一个通过导管与透明管相连通，另一个外接一段软胶管，实验时密封住，读数时将其打开。

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