一种平衡型容式教学演示仪的制作方法

属于教学仪器演示领域。

背景技术：

科技发展在于创新，创新是民族之魂，青年是创新的力量。

国家的强盛在于人材，人材的培养在于教育。教育的重点青少年，少年强则国强，少年进步则国进步，要培养少年对科学的热爱，提高教学质量是关键，而实验仪器的精准是提高教学的一个重要因素，实验仪器好，所做的实验更具说服力，从而使学生认识事物，了解自然现象，启发学生的思维，对提高教育水平起到重要作用。因此，教学中的各种实验仪器都在不断的提升，但却还存在着很多不足之处：一是实验仪器的种类不足，特别是针对低年级学生的实验仪器还不全面。二是教学仪器中寓教于乐的精神还不够，三是现在多数教学仪器的成本太高，因而对一些偏远的村庄学校，还不能普及到很多普遍的教学仪器。四是仪器太过复杂，学生不能自己动手制作，因此不能通过让他们自制仪器来培养他们自己动手的好习惯和对科学的热情。

电学是物理学中最重要的一种门类，充满神奇的电学实验，能激发少年的兴趣，同时对建立电学的基本概念有着重要的作用，如果能研制一种多功能的导电演示仪而且演示仪能将抽象的将电学部分概念与定律形象化，显然对受教育者有有着积极的帮助。

技术实现要素：

为了让教学仪器普及到每所学校，丰富教学仪器的种类，本发明的措施是研制物体在交直流时导电情况的教学演示仪，其目的一是让学生从一种感性的角度，了解物体在交流与直流中导电的情况，理解物体的概念与意义，进而理解理解欧姆定律的意义，因而让学生打下基础。二是线路简单，容易制作成功，能让学生自制演示，培养学生的动手能力。三是该仪器具有光与声的三种色彩的显示，因此具有一定的趣味性，能培养起广大青少年对科学的热爱。四是成本低廉，可以成为一种在广大学校普及的仪器。

所采用的措施是：

1、一种平衡型容式教学演示仪由自制电容、转换开关，振荡部分，功放部分，测试孔，放大部分，平衡部分，分压部分，显示部分，语音部分共同组成。

其中：自制电容是两块铜片粘贴而成，两块铜片上各焊接一根引线引出。

转换开关的一端接地线，另一端接振荡部分的振荡中心点，振荡部分的输出接功放部分的输入，功放部分的输出与放大部分的输入之间接测试孔，放大部分的输出接平衡部分的输入，平衡部分的输出接显示部分、分压部分、语音部分。

振荡部分由两个振荡门、振荡电容、两个振荡电阻组成：第一振荡门的输出端为两路，一路接第二振荡门的输入端，一路接第一振荡电阻的一端，振荡电容的一端接在第二振荡门的输出端，振荡电容的另一端为振荡中心点，第二振荡电阻的一端接第一振荡门的输入端，第一振荡电阻的另一端与第二振荡电阻的另一端都接振荡中心点，第二振荡门的输出端即是振荡部分的输出，接功放部分的输入。

功放部分由两个门电路并联而成，其输出端接测试孔的一端，测试孔的另一端接放大部分的输入。

放大部分由两个门、两个灵敏度电阻组成：第一门的输入端即是放大部分的输入，第一门的输出端接第二门的输入端，第二门的输出端即是放大部分的输出，每个门的输入与输出之间接一个灵敏度电阻。

平衡部分由上偏平衡电阻、下偏平衡电阻、平衡三极管、平衡测试指示支路组成：上偏平衡电阻接在放大部分的输出与平衡三极管的基极之间，下偏平衡电阻接在平衡三极管的基极与发射极之间，平衡三极管的集电极接放大部分的输出，平衡三极管的发射极即是平衡部分的输出，平衡测试指示支路接在平衡部分的输出与地线之间。

分压部分由N个上偏分压电阻与下偏分压电阻组成：第一个上偏分压电阻的一端接平衡部分的输出，另一端串联其余分压电阻，最后一个分压电阻串联下偏分压电阻到地线，其每个串联点接显示部分中一个显示起动单元的输入。

显示部分由显示起动单元与显示指示单元组成。

显示起动单元有多组，每组显示起动单元由两个反相器与交连电阻组成，每组显示单元的输出与地线之间接一组显示指示单元，每组显示起动单元中的第一个反相器的输入即是该组显示起动单元的输入，第一个反相器的输出与第二个反相器的输入之间接交连电阻，第二个反相器的输出即是该显示起动单元的输出。

每组显示指示单元由三路或多路指示支路并联而成，每路指示支路由指示灯与指示保护电阻串联而成。

语音部分由多个语音指示组成：每组显示起动单元对应一个语音指示，接在每组显示起动单元的输入上。

2、振荡部分中的两个门、功放部分中的两个门电路、放大部分中的两门、显示起动单元中的反相器都采用集成电路CD4069。

3、第一振荡电阻由振荡可调电阻与振荡保护电阻串联而成。

4、平衡测试指示支路由测试电阻与测试发光管串联而成。

5、平衡三极管是NPN三极管。

对本措施的进一步解释如下：

一、本发明的主要目的是让教学仪器普及到每所学校，丰富教学仪器的种类，本发明的措施是研制物体在交直流时导电情况的教学演示仪，其目的一是让学生从一种感性的角度，了解物体在交流与直流中导电的情况，理解物体的概念与意义，进而理解理解欧姆定律的意义，因而让学生打下基础。二是线路简单，容易制作成功，能让学生自制演示，培养学生的动手能力。三是该仪器具有光与声的三种色彩的显示，因此具有一定的趣味性，能培养起广大青少年对科学的热爱。四是成本低廉，可以成为一种在广大学校普及的仪器。

二、本发明是意在让学生自制仪器、自制电感、自制电容、自制电阻等物体，培养学生的亲自动手能力，本仪器能够测试电容、电阻、电感等物体，使学生能更直观的了解各种物体的导电情况，通过测试电容、电感、电阻得到的效果不同，在测试电容时，直流情况下，显示部分只闪亮一下，而在交流时，当振荡频率越快，显示部分启动越多，而电感得到的结果却相反，当振荡频率越快，亮得越少。

在检测电容时，本演示仪的效果是：在直流时，即转换开关为接通状态下，电容在直流状态下，因为功放部分的输出始终为高位，因此电容在一瞬间充满电后搁置，所以显示部分只亮一下，而在交流状态下，即转换开关为断开状态，振荡部分开始振荡，功放部分的输出为高低循环变换，所以电容呈现的状态为充放电的循环，所以到达显示部分时，亮一段数值，当频率加快时，显示部分亮得越多，对各级电路的说明如下。

三、振荡部分与转换开关。

振荡部分由第一振荡门、第二振荡门、振荡电容、第一振荡电阻、第二振荡电阻组成：第一振荡门的输出端为两路，一路接第二振荡门的输入端，一路接第一振荡电阻的一端，振荡电容的一端接在第二振荡门的输出端，振荡电容的另一端为振荡中心点，第二振荡电阻的一端接第一振荡门的输入端，第一振荡电阻的另一端与第二振荡电阻的另一端都接振荡中心点，第二振荡门的输出端即是振荡部分的输出，功放部分的输入。

形成的振荡原理是：当第二振荡门输出为高位时，通过振荡电容、第一振荡电阻到振荡门一的输出端，开成对振荡电容的充电状态，此时振荡中心点为高位。导致振荡门一的输入端为高位，直至振荡前半周期的结束。当振荡电容的隔离效果使中心点电压低于门的门坎电压后（阀值电压后），第一振荡门的输出端由低充变为高，这时第一振荡门的输出端输出电流通过第一振荡电阻向振荡电容进行反方向的放电过程。此时为振荡的后半周期，直至后半周期的结束，当振荡中心点的电压值高于阀值后，又重复着第一个周期的过程。进行以后的振荡。

当第二振荡门的输出为高位输出时，经过功放部分的转换，输出的是低位，反之当振荡部分输出低位，功放部分输出高位。

调整振荡电阻与振荡电容能方便地调整频率，振荡电阻由两个电阻串联而成，更方便于调试。

本发明采用这种振荡电路的原因一是振荡可靠，二所用元件少，三是可以增设频率可调，四是所用的门电路少，而一个4069有2个单元，因而可以用其它的单元来实施本发明的其它需要的反相器，因而利用率高。

转换开关接在了振荡部分的振荡中心点上，当转换开关接通时，振荡停振，视为直流输出，其输出为高位，得到是功放部分输出低位。当转换开关断开时，振荡部分开始振荡，输出高低变换，为交流输出。

四、放大部分的说明。

放大部分由两个门、两个灵敏度电阻组成：第一门的输入端即是放大部分的输入，第一门的输出端接第二门的输入端，第二门的输出端即是放大部分的输出，每个门的输入与输出之间接一个灵敏度电阻。

放大部分不仅能将其信号放大，更能提升带负载的能力。在检测电阻时，它的输出能定型地反应不同电阻导电率的大小。

五、平衡部分的作用：平衡部分由上偏平衡电阻、下偏平衡电阻、平衡三极管、平衡测试指示支路组成：上偏平衡电阻接在放大部分的输出与平衡三极管的基极之间，下偏平衡电阻接在平衡三极管的基极与发射极之间，平衡三极管的集电极接放大部分的输出，平衡三极管的发射极即是平衡部分的输出，平衡测试指示支路接在平衡部分的输出与地线之间。

在放大部分的输出不为零时，平衡部分能使其信号不能通过，即是在未有测试物时，显示部分不会启动，平衡部分中的上偏平衡电阻由可调电阻与固定电阻串联而成，能可靠地调整出平衡部分的阀值，使之在没有测试物体时，放大部分的微弱信号不能击穿其阀值，显示部分不启动。而当有测试物体信号时，能可靠地通过平衡部分，使显示部分能可靠显示。

六、分压部分的作用：分压部分由N个上偏分压电阻与下偏分压电阻组成：第一个上偏分压电阻的一端接平衡部分的输出，另一端串联其余分压电阻，最后一个分压电阻串联下偏分压电阻到地线，其每个串联点接显示部分中一个显示起动单元的输入。

它的每级分压都接一个显示起动单元的输入，因此，当被测物体的导电性能越高，显示起动单元启动越多，显示越多。

七、显示部分与语音部分：显示部分与语音部分同步，当被测物体导电性能越高，显示部分启动越多，语音部分也启动越多，因而，它能从宏观上体现出被测物体的导电性能。

实施后有以下突出的优点：

1、电学是物理学中重要的内容，学生能清楚地能过仪器感悟到，在交直流中物体的导电性能，帮助初学者建立电学中最基本概念有着积极的作用。

2、能对物体的导电性进行识别，并能定型地反映出能量大小、并让众多观看者演示，这是很多较低档的仪器难以做到的。演示方法是将所测的物体放在检测板即可。

（1）、在科普教育中，物体的导电性从一种直观的显示中可以很方便地表现出来，观看者清楚直观，易于接受。

（2）、能定性地看出导电的物理的能量大小，如果所检测的物体导电性能大，显示部分中的显示指示单元亮的数量多，反之所亮数量小。

（3）、使用方便，在测试物体时，只需将物体插入测试孔，模拟交直流时只需将转换开关接通与断开即可，让对应的显示指示单元发亮，十分方便。

3、欧姆定律是电学中最重要的基本定律，学好欧姆定律对电学的深化学习有重要的铺垫作用。初学者感到定义抽象，通过本仪器定型地演示，能使初学者对欧姆定律消化理解，而不是简单地产生只是机械式的呆板记忆。演示方法是用两测试夹，分别夹做电阻的两端，然后将两测试夹分别插入仪器中两测试孔内。

（1）、定型地演示欧姆定律揭示的电压一定时，电流与电阻之间的关系。电阻越大，电流越小的视觉效果。

而本仪的众多发光管寓意是一条河流，将抽象的电流比喻成为了水流。当电流过测试体时，导电率高的物体所演示的现象是电流如河水一样能从始点流向终点，直观视觉效果是电流过物体时受到的阻力（即电阻）很小，因而电流很畅通。流得远，导电率差的物体种类如所测的电阻，受到的阻力大（即电阻大），如水流一样，流动困难，流得近。

（2）、定型地演示欧姆定律揭示的当电阻为一定时，电压越大，电流越大。以及电压越小，电流越小的视觉效果。

用一只电阻作为测试物体，演示时其显示发光管为部分发光管亮，此时调整仪器内灵敏度调整电阻的阻值，让其放大倍数增加，测试电压指示发光管明亮，其演示意义是提高所测电阻的端电压，此时显示单元的发光管亮的数量升位，成为良导体的现象，表示出电流增大后的视觉效果。反之，调整仪器内的灵敏度调整电阻的阻值，让其放大倍数减少，此时发光管亮的数量减少，从而表示电流减少的情况。

由于本仪最大好处是能将抽象的概念变得形象化，这对初学者特别是边远的山区的学生教育，是很有帮助。

（3）、本仪有光量显示，光标显示，声音效果，三重效果，而且每种显示效果不一样，光标显示为闪动，光量示为光亮，声音为周期报送，增加了趣味效果，观看者寓教于乐。

4、本仪可以让学生了解一些简单物理与化学现象，以激励青少年的科学激情。

（1）、建立半导体的最基本概念。

演示方法是用两测试夹，分别夹做二极管的两极的两端，然后将两测试夹分别插入仪器中两测试孔内。

此时的显示上会出现良导体即是导电率很高的现象。如果反极性插入测试孔中，此时显示上会出现绝缘体的不通电现象。

（2）、了解导体不仅存在于金属内，而且存在于液体的情况。

演示方法是用两测试夹，分别置内容器的两适当位置，两测试夹的另一端分别插入仪器中两测试孔内。容器内放入水，调整两测试夹的远近，让电荷光量显示单元的发光管为一种状态，在水里加上盐，这时该会发现显示单元的发光管所亮的数量会增加，这告诉了初学者，导电体不光是固态的金属类，而且存在于液体。

（3）、了解同样的物体导电性能与环境有关。

如用鳄鱼夹子夹住干燥的木材的两端，这时显示部分发光管亮得很少，甚至不亮，但将水洒在所测试的本材上，发光管所亮的数量会增加，这说明木材受潮后导电性能会增加。

5、能培养学生的动手能力，其原因一是线路精简，集成化单元高，整个线路易分析，很紧凑，精炼，为可靠性创造了良好的基础。三是光显示，声指示配合好，各级逻辑严密。二是所需元件少，无需调试，易生产，一装就成，成本很低，可以普及到更广阔的范围。所以能培养广大青少年科学的情趣，热爱科学，爱试验，爱动手的好习惯，这是本发明的一个重要目的。

附图说明

图1是一种平衡型容式教学演示仪的原理方框图。

图中1.1、转换开关；01、振荡部分；2、功放部分；3、测试孔；4、放大部分；5、平衡部分；6、分压部分；7、显示起动单元；8、显示指示单元；9、语音部分。

图2是一种平衡型容式教学演示仪的电子电路原理图。

图中：1.1、转换开关；1.2、第一振荡门；1.3、第二振荡门；1.4、振荡电容；1.5、第一振荡电阻；1.6、第二振荡电阻；2、功放部分；3、测试孔；4.1、放大部分中的第一门；4.2、放大部分中的第二门；4.3、灵敏度电阻；5.1、平衡三极管；5.2、上偏平衡电阻；5.3、下偏平衡电阻；5.4、平衡测试指示支路；6.1、第一个上偏分压电阻；6.N、最后一个上偏分压电阻；6.Z、下偏分压电阻；7.11、第一组显示起动单元的第一个反相器；7.12、第一级显示起动单元的交连电阻；7.13、第一组显示起动单元的第二个反相器； 7.N1、最后一组显示起动单元的第一个反相器；7.N2、最后一组显示起动单元的交连电阻；7.N3、最后一组显示起动单元的第二个反相器；8.1、第一组显示指示单元；8.N、最后一组显示指示单元；9.1、第一个语音指示；9.N、最后一个语音指示。

图3是自制电容侧面示意图。

图中：2—1、自制电容的铜片1；2—2、自制电容的铜片2；2—3、粘贴两铜片的双面胶；2—4、自制电容的铜片1的引出线；2—5、自制电容的铜片2的引出线。

具体实施方式

图1、2、3共同描述了具体实施的一种方式。

一、选件：振荡部分中的两个门、功放部分中的两个门电路、放大部分中的两门、显示起动单元中的反相器都采用集成电路CD4069。平衡三极管为NPN三极管。平衡上偏电阻由可调电阻与固定电阻串联而成。

二、焊接：各部分的具体电子元件连接如图1焊接，自制电容如图3所示焊接：用两块铜片各焊接一根据引线，再将两块铜片用双面胶粘贴在一起，将两根据引线分别插入测试孔。

三、调试。

将自制电容插入测试孔。当转换开关为接通状态下，视为直流，当转换开关为断开状态下，视为交流。

1、振荡部分的调试。

在交流状态下，用示波器的热端接振荡中心点，冷端接地。

在接通电源后，示波器有的振荡图形显示。

如果不正确，则可能是元件焊接有误，或可能是振荡电容质量不好，严重漏电。

调节振荡电阻与振荡电容值，使示波器所显示的的频率符合设计要求，其规律是电阻越大，频率越慢，反之越快。

2、平衡部分的调试。

调整上偏平衡电阻，其标准是：在测试孔没有测试物时，平衡部分的输出无电压，在测试孔中插入一个大阻值的电阻，平衡部分能有输出。

3、显示部分与语音部分。

如果显示起动单元中的反相器放大量不够，调整两反相器之间的交连电阻，使之符合要求。

在每组显示起动单元起动时，对应语音发出声音提示，对应显示指示单元发出光指示。

4、将自制电容插入测试孔中，在交流时，即是在转换开关为断开状态下，调整振荡频率，使振荡加快，观察显示指示单元，频率越快，显示指示单元亮得越多，频率越慢，亮得越少。在直流时，即转换开关为接通状态下，显示指示单元只闪亮一下，之后为熄。