物理教具的制作方法

专利名称：物理教具的制作方法
技术领域：
本实用新型为一种物理教具，具体为物理学中做电功实验、或做电功率实验、或做焦耳定律、或做比热实验、或做液体蒸发致冷实验所用到的教具。
技术背景
"电流做功与哪些因素有关"、"电流做功的快慢与哪些因素有关"、以及"焦耳定律的探究"、"比热的引入实验"(探究相同质量的不同物质在升高相同温度时所吸收热量的多少比较)，这些均为初中物理课本中的重点实验，共同处在于用电加热器在对热质(如煤油和\或 水或空气等，以下统称热质)加热,实验装置均由装开口容器、置于容器中且两端引线引出容器外的电阻丝、以及一端插入容器内的温度计组成， 存在下列明显的缺点
1. 热质多，加热时间太长水和煤油必须要将温度计的液泡浸没，质量多则近200克，少则80克，加热时间长达10多分钟，若采用500ml 的大烧杯，则所用的液体更多，加热时间更长。
2. 效果差、说服力低因热质用量大，对水和煤油要加热十多分钟， 散热时间长，热损失多且不均匀，导致水或煤油的温度才升高2-6。C且温度的升高量不呈线性，不好比较说明水和煤油的温差大小，只能定性地 说明电功、电功率、电热、的大小与某种因素有关，不能定量说明。
3. 可见度太小，可信度低实验所用温度计为学生分组实验用小温度计，只好抽教师读数(或抽一个学生上台读数)后记录在黑板上，绝大多数学生只能看到教师操作实验的大致轮廓，导致不少学生在"等老师 (或个别学生)做实验"，实验结果又是老师(或某个上台学生)读出 来的，并非自己亲眼所见，非常不利于教师调动学生参与积极性。
造成上述缺点的原因是
1、 用于盛装热质的容器内径过大(所以现有实验中所用的电阻丝都 是横放在容器内的)。上述实验用于装水或煤油的容器通常是烧瓶、 广口瓶、量热器的内胆、或烧杯等。
经实测，标称容积为500ml、 250ml的圆形烧瓶，其内直径(以下简 称内径，在权利要求书中也是如此)最大处约为10cm、 8. 7cm。标称容积为 250ml、 100ml的烧杯，其直径分别约为6. 5cm、 5cm。使用较多的量热 器的内胆(能有效在防止热散失)内径约为6cm。可见，现在实验所用容 器的内径通常为5-IO厘米，导致热质用量大，加热时间长，散热时间也 长，热损失多且不均匀，效果差很差。
现有做电功、电功率、焦耳定律、比热实验的物理教具，均由装开 口容器、置于容器中且两端引线引出容器外的电阻丝、以及一端插入容 器内的温度计组成，因液体最少要能将温度计的液泡及电阻丝全部浸 没，这种液体深度上的要求会使液体用量高达到几十克至近200克，。
2、 现有实验均采用长度约30 cm的学生分组温度计，可见度太小。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种做电功、电功率、焦耳定律、比热 实验、以及液体蒸发致冷实验的教具，并具有以下特点该教具在效果 方面要做到温度实际变化值要接近理论值；温度变化要快，最多5分钟 就可以顺利完成一项实验；可见度要高，全班学生都能看清温度计示数。
本实用新型所采用的技术方案是-
一、 一种物理教具，由装开口容器、置于容器内且两端引线引出容器外的电阻丝、以及一端插入容器内的温度计组成，其特征在于，所述
容器内腔横截面的平均面积介于直径为0.6厘米的圆面积至直径为3.8 厘米的圆面积之间。
或者
二、 一种物理教具，由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于， 所述电阻丝呈螺旋形，所述液体温度计的液泡被包围在该螺旋形电阻丝 的内部。
或者
三、 一种物理教具，由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于， 所述电阻丝固化在液体温度计的液泡内，所述电阻丝的两端伸出液泡以 外。
作为实现本实用新型基本构思一的改进所述容器为试管状容器， 所述试管状容器的内径介于0. 8厘米与3厘米之间。
作为实现本实用新型基本构思一更进一步改进的方案之一所述温 度计插入容器内的一端为接受温度变化的感温区，其特征是所述容器 开口处塞有开孔塞，所述温度计穿过开孔塞上的孔伸入容器内，所述电 阻丝两端的弓I线经开孔塞伸出容器外，所述电阻丝的一段或几段并排在 感温区周围。
作为实现本实用新型基本构思一更进一步改进的方案之二所述温 度计插入容器内的一端为接受温度变化的感温区，其特征是所述容器 开口处塞有开孔塞，所述温度计穿过开孔塞上的孔伸入容器内，所述电 阻丝的两端引线经开孔塞伸出容器外，所述电阻丝呈螺旋状，所述感温 区被包围在电阻丝圈成的螺旋内部。
本实用新型的有益效果是:
1、 温度升高快因液体用量从以前装在烧杯、烧瓶、量热器内胆里200-80ml，减小到现在装在小试管内的不足20 ml，在同样吸热的条件下， 温度升高的速度提升了数倍。
2、 温度的改变量相差较大，说服力很强。在实验过程中，采用两套 上述装置进行实验，因液体用量少，在电流、电压、电阻、通电时间等 因素的其中一个发生变化时，反映到液体温度的变化上就非常明显且能 成明显的正比或反比例关系。
3、 实验数据与理论值非常接近，符合新课改的探究性精神。在实验 过程中，采用两套上述装置进行实验，因液体用量少、温度升高快，来 不及散热，加之两套装置具有同样的规格，散热速率一致，使得实验实 测数据与理论值非常接近，便于老师的讲解及学生的理解。
这是目前其它同类实验的明显缺陷，如改进的气体加热式实验受到 老师们的欢迎，但因为不能成正反比关系，故只好做成定量实验，不敢 也无法记录数据。
4、 避免了煤油、酒精的刺激性气味。采用本教具，即使用比热容大 的水做电功、电功率、焦耳定律实验，现象都是即快又明显，根本没有 必要像以前实验那样用比热容小的煤油、酒精来提速。
5、 进行下一次实验的降温等候时间短，教学安排紧凑 如在做探究电流做功与哪些因素有关的电功实验中，在将Rh2串联，测出了Rh R2两容器内液体的温度改变量后，应断电等待两支温度 计的示数下降到相同时，再将R" R2并联，以研究电流与电功的关系。 与此类似，"电功率与哪些因素有关"、"焦耳定律"实验中也有等待 时间。以前实验的液体用量多，等待时间往往超过了五、六分钟，不利 于教师的教学安排。
而本实用新型的液体用量少，中途的降温时间小于1分钟，有利于 教学的安排。若事先准备好装有适量液体的替用容器，则只需更换容器 即可。
6、 符合课本中的实验思路，无需加热空气，便于学生理解。
7、 清晰直观，便于观察采用两套上述装置进行实验，两支大号温 度计在面板上的位置可调，因此可让两支温度计示数的起始值位于移动 面板上的同一刻度处，无需心算，就能直接读出两支温度计上温度的变 化值。


图l为实施例l的整体结构图
图2为图1的局部放大图
图3为附加在图1上的移动式面板的示意图
图4为实施例2的温度计液泡端局部图
图5为实施例3的温度计液泡端局部图
图中l.容器，2.电阻丝，3.液泡，4.引线，5.开孔塞，6.温度 刻度区，7.温度计，8.支架，9.液面，10.移动面板、ll.加厚区。
具体实施方式
实施例一、如图l、图2、图3所示
将温度计7靠近液泡3的一端套在开孔塞5内。将电阻丝2缠绕在 温度计7的液泡3上。将电阻丝两端的引线4穿过开孔塞5 (可从开孔塞 的内部穿过，或从开孔塞的边缘穿过并亮胶固定)，以对螺线状电阻丝 起到定形作用。在容器1内装入适量的热质，再将容器l从下方套接在 开孔塞5的外壁。
为便于操作及对比，应如图2所示，将两个如图1所示的装置固定在支架8上，并在支架中间制作温度刻度区6。
为能直接读出温度的改变量，免去读数后计算差值的过程，应如图 3所示，制作一张用作温度改变量读数用的移动面板10。移动面板10上 的刻度应制成黑白相间的条纹、以及同一条纹的两侧都标出温度值，也 是为了读数的方便。该移动面板IO最好是喷绘制作，因喷绘纸两面覆膜、 不易脏、也不至于太软，能方便地夹固在图2的面板与两支温度计之间， 并能上下移动调零。
用法
1、 用于探究电流做功的快慢与哪此因素有关。
只需一套如图2所示的装置。在容器1内装入约15ml的水(或煤油)。
用导线将电阻丝2两端的引线4接至低压电源、开关、电流表、电压表形成电路，2分钟内就可满意地完成一次实验记录。再多次改变电阻丝的阻值，重复以上实验过程，收集实验数据。
2、 探究电流做功与哪些因素有关。
需两套如图2所示的装置，即如图1所示，将两套装置固化在一起。 实测例Rf2.85Q, RF5.78Q，两者相差2.02倍，试管内各装入 13ml的水。
①、当电流相等(Rh R2串联在IOV的稳压电源上)时，U1＝3.3V， U2＝6.6V，2分钟后，Ri试管内温度升高了 10°C， R2试管内温度升高了 21 ℃。 U2是仏的两倍，R2旁的煤油温度改变量约为Ri旁煤油温度改变量的两倍， 数据与理论值非常吻合。
②、当电压相等(R1，R2并联在4V档(实测不够4V)的稳压电源上) 时，实测I1=1.2A，I2=0.6A， l分钟后，R1式管内温度升高13℃， R2试管内 温度升高3℃。 L与l2相差2倍，温度改变量相差2的平方倍，数据与理 论值也吻合得非常好。
3、 用于研究焦耳定律，装置如图l。取R2为Rt的两倍，两试管内均 装入约13ml的水，即可进行实验。
4、 用于比热的探究性实验
将图l中的两个电阻丝改为相同，即使Ri^R2，在两容器内装入约 16g的水和煤油，也只需2分钟，就能得到非常明显的效果。
5、 用于液体蒸发致冷实验
如图1所示，去掉图l中的容器l、电阻丝2、引线4、开孔塞5， 只保留图1中的温度计7、支架8、移动面板10，将浸过酒精的棉花包在 其中一支温度计7的液泡3上面，马上可看到包有棉花的温度计示数急 剧下降，而未包棉花的温度计示数不变，说明液体蒸发确有致冷作用。
说明
1、对于上述的容器
如前背景技术所述:现有实验效果太差的一个重要原因是所用容器 太大，容器内径通常为5-10厘米。本实用新型将该容器的内径限定在 0.8-3.8厘米之间，是为了与现有技术间划出明晰的界线，适当缩小了要 求保护的范围。考虑到所用的容器的横截面不一定都得显圆形，如所用容 器的横截面可以呈正方形、长方形、圆角正方形、圆角长方形、椭圆形 等，照样可以获得较好的实验效果，也应在本实用新型的保护范围以内， 因此将该容器内腔横截面的平均面积限定在直径为0. 6厘米的圆面积至 直径为3.8厘米的圆面积之间，理由如下
实验室现有温度计的液泡直径通常为0. 5-0. 8厘米，外加缠绕的电 阻丝，液泡加外绕电阻丝的总直径约为0.6-0.9厘米。申请人曾将液泡 上缠绕有电阻丝的温度计放入以下规格的开口容器中做实验，均取得了 较好的实验效果
内径为0.6厘米的玻璃管；
内径为0.8厘米的玻璃管；
Ф12mmX73mm的小试管(实测内径为1.1厘米)；
Φ12mmX73mm的小试管(实测内径为1. 1厘米)；
Φ15mmX 150mm的中号试管中(实测内径为1. 2厘米)；
Φ20mmX100mm的中号试管中(实测内径为1. 8厘米)；
Φ32mmX200mm的大试管中(实测内径为3厘米)；
标称容量为30mL的滴瓶(实测内径为3. 3厘米)；
标称容量为60mL的广口瓶(实测内径为3. 8厘米)
标称容量为60mL的细口瓶(实测内径为3.9厘米)。
标称容量为60mL的滴瓶(实测内径为4. 1厘米)。
标称容量为60mL的广口瓶(实测内径为4. 4厘米)。
作为优选例，所述容器为试管状容器，所述试管状容器的内径介于 0.8厘米与3厘米之间，理由如下
如上所述，普通温度计液泡外加缠绕电阻丝的总直径约为0. 6-0. 9 厘米，以内径为0.8厘米的试管状容器为下限，就保证了液泡外加缠绕 的电阻丝不至接触到容器的侧壁，有效地减少热损失。以内径为3厘米 的试管状容器为上限，是使所用容器不至于稍大，保证实验温度升高得 较快。
2、对于温度计
本实用新型所用的温度计不一定要局限于常用的液体温度计，用双 金属温度计、电子温度计等也可以满意地完成上述物理实验，若选用液 体温度计，则所述温度计上的感温区为液泡；若选用双金属温度计，则 所述温度计上的感温区为感温棒；若选用电子温度计，则所述温度计上 的感温区为探针。
若本教具做教师上课演示之用，则为取得较好的可见度，所述温度 计玻璃管的长度应大于50厘米，所述温度计内液面从最低温度值上升到 最高温度值应至少移动30厘米。即所述温度计应采用演示温度计而不是 学生分组实验用的小温度计。
若本教具作为学生分组实验用的学具，所述温度计可采用学生做分组实验用的长度约30厘米的小温度计。
本实用新型名称为"物理教具"，意为可做多个物理实验的教学用具之义，若采用本实用新型的思路制成学生操作用的"学具"、甚至是探究性"玩具"，也在本实用新型的保护范围以内。
3、对于子系统
如前面用法部分所述，若做电功实验，只需一套如图2所示的一套子系统，该一套子系统由一个开口容器、 一个开孔塞、 一根电阻丝、一支温度计组成。
若做电功率、焦耳定律、比热实验、以及液体蒸发致冷的实验，则需两套如图2如示的子系统，并最好如图1所示的方式将两套子系统固定在同一支架上。
为减少因散热引起的实验误差，确保实验效果，两个子系统中开口容器的规格应相同、两个子系统中温度计的规格应相同，两个子系统中电阻丝螺旋形的大小、疏密程度应相同，两个子系统中电阻丝与温度计 液泡间的空间位置关系应相同。在做电功率、焦耳定律两个实验时，所述两个子系统电阻丝的电阻值应不同，并最好成整倍数(便于分析)；在做比热实验时，所述两个子系统电阻丝的电阻值必须相同，以确保对不 同的热质提供相同的热量。
做液体蒸发致冷的对比实验，则要两支相同的温度计，无需电阻丝。
因此，权利要求书l、 2、 3、 4以及权利要求8、 9未提出"子系统" 名词，意思是说不论该子系统是单独的(此时就不再称为子系统)、还 是成对的，均应在本实用新型的保护范围以内。
实施例2、如图4的所示
如前面实施例1所述，本实用新型取得良好实验效果的重要原因是
大幅度地减少了热质的用量。作为同一个思路，所述热质的用量还可进 一步地减少，干脆取消液体温度计外的热质，直接将电阻丝缠绕在温度
计液泡的外壁上，把液泡内的液体作为被加热的热质，如图4所示，将 电阻丝2在温度计7的液泡3的部位缠绕成螺旋状，经电阻丝两端的引 线4接至外电源，实验证明，也能取得良好的实验效果。
其余与实施例l类似，如做某些实验(如电功实验)只需一套图4 所示的装置，而做另外一些实验则需两套如图4所示的装置成对使用， 这时应将这两套相同的装置固定在同一支架上使用，等等。
实施例3、如图5所示
如前面实施例2所述，既然可以将电阻丝缠绕在温度计液泡的外壁 上，用电阻丝对液泡内的液体加热，又为何不可以将电阻丝伸入液泡的 内部加热呢！
如图5所示，电阻丝2通过引线4被固定在液泡3的内部，为提高 稳定性，液泡3与引线4的接合处被设置成加厚区11。经申请人在温度 计的制造商处订做及后来的实验证明，效果也类同于实施例l。
其余与实施例l类似，如做某些实验(如电功实验)只需一套图4 所示的装置，而另做另外一些实验则需两套如图4所示的装置成对使用， 这时应将这两套相同的装置固定在同一支架上使用，等等。
权利要求1、一种物理教具，由开口容器、置于容器内且两端引线伸出容器外的电阻丝、以及一端插入容器内的温度计组成，其特征在于，所述容器内腔横截面的平均面积介于直径为0.6厘米的圆面积至直径为3.8厘米的圆面积之间。
2、 如权利要求l所述的物理教具，其特征是所述容器为试管状容器， 所述试管状容器的内径介于0. 8厘米与3厘米之间。
3、 如权利要求2所述的物理教具，所述温度计插入吉器内的一端为接受 温度变化的感温区，其特征是所述容器开口处塞有开孔塞，所述温度计穿过 开孔塞上的孔伸入容器内，所述电阻丝两端的引线经开孔塞伸出容器外，所述 电阻丝的一段或几段并排在感温区周围。
4、 如权利要求2所述的物理教具，所述温度计插入容器内的一端为接受 温度变化的感温区，其特征是所述容器开口处塞有开孔塞，所述温度计穿过开孔塞上的孔伸入容器内，所述电阻丝两端的引线经开孔塞伸出容器外，所述 电阻丝呈螺旋形，所述感温区被包围在电阻丝圈成的螺旋内部。
5、 如权利要求4所述的物理教具，其特征是所述开口容器、开孔塞、电阻丝、温度计为该物理教具结构组成中的一套子系统，该物理教具由两套这 样的子系统构成，两个子系统中开口容器的规格相同、两个子系统中温度计的 规格相同，两个子系统中电阻丝螺旋形的大小、疏密程度相同，两个子系统中 电阻丝与温度计液泡间的空间位置关系相同，所述两个子系统电阻丝的电阻值 可以不同或相同。
6、 如权利要求5所述的物理教具，其特征是所述温度计为液体温度计，所述感温区为液体温度计的液泡。
7、 如权利要求6所述的物理教具，其特征是所述两个子系统并排固定在同一支架上，所述支架上配置有移动面板。
8、 一种物理教具，由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于，所述电阻丝呈螺旋形，所述液体温度计的液泡被包围在该螺旋形电阻丝的内部。
9、 一种物理教具，由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于，所述 电阻丝固化在液体温度计的液泡内，所述电阻丝的两端伸出液泡以外。
专利摘要一种用于做电功、或电功率、或焦耳定律、或比热实验、或液体蒸发致冷实验的物理教具或学具，它由开口容器、置于容器内且两端连线引出容器外的电阻丝、以及一端插入容器内的温度计组成，其特征在于，所述容器内腔横截面的平均面积介于直径为0.6厘米的圆面积至直径为3.8厘米的圆面积之间；或者该物理教具由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于，所述电阻丝呈螺旋形，所述液体温度计的液泡被包围在该螺旋形电阻丝的内部；或者该物理教具，由液体温度计、以及电阻丝构成，其特征在于，所述电阻丝固化在液体温度计的液泡内，所述电阻丝的两端伸出液泡以外。它具有实温变化值吻合于理论值、温度变化快、全班学生清晰可见的突出效果。
文档编号G09B23/06GK201181532SQ20082000754
公开日2009年1月14日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者雷海平 申请人:雷海平