一种焦耳定律演示器的制作方法

1.本实用新型涉及一种焦耳定律演示器，属于物理实验教具的技术领域。


背景技术：

2.电流通过导体时会产生热量，这叫做电流的热效应，而电热器是利用电流的热效应来加热的设备，电炉、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电烤炉等都是常见电热器。电热器的主要组成部分是发热体，发热体是由电阻率大，熔点高的电阻丝绕在绝缘材料上制成。
3.焦耳定律(joule's law)是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。焦耳定律数学表达式：q＝i2rt；对于纯电阻电路可推导出：q＝w＝pt；q＝uit；q＝(u2/r)t。
[0004]“焦耳定律实验”是初中物理的一个重要的验证性演示实验。传统物理实验课上所用于演示焦耳定律的实验教具是通过空气的热膨胀推动u形管中的液面上升，根据两个u形管中的液面高度差大小来判断哪个电阻产生的热量多；该演示器存在一些突出的问题：
[0005]
(1)气密性要求高，实验过程中，常常因胶管老化、密封性差等原因，导致实验失败；
[0006]
(2)散热效果差；
[0007]
(3)可视效果不够好；
[0008]
(4)只能进行定性研究，无法进行定量研究。


技术实现要素：

[0009]
为了解决现有技术所存在的上述问题，本实用新型提供了一种焦耳定律演示器。
[0010]
本实用新型的技术方案如下：
[0011]
一种焦耳定律演示器，包括安装面板，所述安装面板上安装有第一电阻、第二电阻和第三电阻，其中，所述第一电阻和第二电阻设置在可密闭的储气盒内，所述第三电阻为外置状态；
[0012]
所述安装面板上安装有两个电流表和两个电子数显温度计，其中，两个所述电子数显温度计的探头分别设置在两个所述储气盒内；
[0013]
所述安装面板上安装有直流电源接头、电源开关和加热开关，其中，两个所述电子数显温度计通过电源开关与所述直流电源接头电连接，加热开关通过电源开关与所述直流电源接头电连接；
[0014]
所述第一电阻、第二电阻和第三电阻、电流表以及加热开关的两端均设置有接线柱。
[0015]
其中，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻均分别包括两根电阻值为ω的电热丝。
[0016]
其中，所述储气盒包括盒体和后盖，所述盒体面板为半透明窗口。
[0017]
其中，所述盒体和后盖通过嵌设磁铁磁吸固定。
[0018]
其中，所述盒体和后盖内壁上设置有保温垫层。
[0019]
其中，所述后盖背面设置有把手。
[0020]
其中，所述安装面板的底部通过连接角件安装有底板。
[0021]
本实用新型具有如下有益效果：
[0022]
1、本实用新型以空气作为实验对象加热对象，相对于传统加热介质，加热空气升温快，实验效果明显；
[0023]
2.本实用新型储气盒采用磁吸式可拆卸后盖，实验结束后通过开启后盖，可快速进行降温；
[0024]
3.本实用新型使用电子数显温度计，能够精确检测并显示实验温度数值，方便观察记录，并可进行定量实验；
[0025]
5.本实用新型一体化设计，简化器材安装，使用方便。
附图说明
[0026]
图1为本实用新型一种焦耳定律演示器的整体结构示意图；
[0027]
图2为本实用新型一种焦耳定律演示器的储气盒结构示意图；
[0028]
图3为电路原理图(以探究电流产生的热量与电流大小的关系)；
[0029]
图4为实验数据折线图(探究电流产生的热量与电流大小的关系)；
[0030]
图5为本实用新型散热效果对比折线图。
[0031]
图中附图标记表示为：
[0032]
1-安装面板、2-第一电阻、3-第二电阻、4-第三电阻、5-储气盒、51-盒体、52-后盖、53-半透明窗口、54-保温垫层、55-把手、56-磁铁、6-电流表、7-电子数显温度计、8-直流电源接头、9-电源开关、10-加热开关、11-连接角件、12-底板。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实施例来对本实用新型进行详细的说明。
[0034]
参见图1，一种焦耳定律演示器，包括安装面板1，安装面板1的底部通过连接角件11安装有底板12，方便装置在台面上立放；
[0035]
安装面板1上安装有第一电阻2、第二电阻3和第三电阻4，其中，第一电阻2和第二电阻3设置在可密闭的储气盒5内，第三电阻4为外置状态；
[0036]
第一电阻2、第二电阻3和第三电阻4均分别包括两根电阻值为10ω的电热丝，通过将两根电阻值为10ω的电热丝单独使用或者并联连接即可获得电阻值为10ω和5ω的电阻；
[0037]
安装面板1上安装有两个电流表6和两个电子数显温度计7，其中，两个电子数显温度计7的探头71分别设置在两个储气盒5内，用于检测储气盒5内的温度变化，两个电流表6则采用量程1a的指针式直流电流表，根据实际实验线路用于检测指定电阻通过的电流；
[0038]
安装面板1上安装有直流电源接头8、电源开关9和加热开关10，其中，两个电子数显温度计7通过电源开关9与直流电源接头8电连接，加热开关10通过电源开关9与直流电源接头8电连接；
[0039]
第一电阻2、第二电阻3和第三电阻4、电流表6以及加热开关10的两端均设置有接
线柱；此外还配备若干能够用于接线柱之间连接的插拔连接导线，通过导线与指定接线柱连接，形式指定的实验电路。
[0040]
参见图2，进一步的，储气盒5包括盒体51和后盖52，盒体51固定安装在安装面板1上，盒体51和后盖52通过嵌设磁铁56磁吸固定，后盖52背面设置有把手55，方便试验后后盖52取下散热；盒体51面板为半透明窗口53，可以由例如亚克力板制作，方便实验过程中观察实验现象，盒体51和后盖52内壁上设置有保温垫层54，例如棉垫层，起到内外隔温作用，降低内部环境受外部环境温度影响而造成的实验误差。
[0041]
本实用新型的工作原理：
[0042]
(1)按照如图3所示接线，闭合电源开关k1(电源开关9)，电子数显温度计7工作，测出储气盒5内空气的初始温度，再闭合加热开关k2(加热开关10)，电流通过电热丝(第一电阻2、第二电阻3和第三电阻4)产生热量，加热储气盒5的空气，通过电子数显温度计7可直观显示储气盒5内空气温度。电阻产生热量越多，温度计示数升得越高。完成一次实验步聚后，切断电源开关k1，打开储气盒5后盖，盒内热空气可以迅速排出，盒内空气急剧降温，方便完成下一实验。
[0043]
(2)探究电流产生的热量与电阻的关系。
[0044]
储气盒内电路如图3所示，r1＝2r2＝10ω(r2由两根10ω电热丝并联而成)，将电阻r1、r2串联后放入储气盒内，闭合k1、k2，两电阻分别加热两盒内空气。
[0045]
探究发现，加热空气升温很快，加热2分钟，两储气盒内的空气温度分别升高了10.0℃和19.7℃，电阻大的，电流产生的热量多。升高相同温度，加热空气与加热200g煤油相比，可节省加热时间大约80％以上。
[0046]
(3)探究电流产生的热量与电流大小的关系。
[0047]
按图3连接电路，r1＝r
2＝
r3＝10ω，电阻r2与r3并联后与r1串联，将r1、r2分别放入两个储气盒中(r3放在储气盒外)，i1＝2i2。
[0048]
探究发现，实验数据绘成的折线图如图4所示，通电时间和电阻相同时，通过r1的电流大，r1所在储气盒内空气温度明显比r2所在储气盒内空气温度升得高，且两储气盒内空气温度升高比值(
△
t1/
△
t2)约为3.7，接近理论值4(i1＝2i2)，说明隔热效果良好，可满足定量探究需求。
[0049]
(4)探究电流产生的热量与通电时间的关系。
[0050]
通过前面的实验可得出相应结论，在此不赘述。
[0051]
(5)散热效果对比实验。
[0052]
图5是散热效果对比实验图，加热储气盒内空气达到一定温度时，停止加热，比较两储气盒内空气温度下降快慢情况(折线1、折线2分别表示不打开储气盒后盖与打开储气盒后盖，储气盒内空气温度下降情况)。
[0053]
图5说明，采用可拆卸式后盖，可有效解决散热慢问题。加热盒内空气温度到一定温度，停止加热。打开储气盒后盖板，盒内空气温度急剧下降，散热2.5min，盒内温度接近室温，下降了180℃左右。折线1代表不打开后盖板时，断电后，由于盒内电阻的余热仍会加热空气，盒内温度先是继续上升，1min后才开始下降，散热6min，空气温度下降不到40℃，温度下降缓慢。
[0054]
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是
利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种焦耳定律演示器，其特征在于：包括安装面板(1)，所述安装面板(1)上安装有第一电阻(2)、第二电阻(3)和第三电阻(4)，其中，所述第一电阻(2)和第二电阻(3)设置在可密闭的储气盒(5)内，所述第三电阻(4)为外置状态；所述安装面板(1)上安装有两个电流表(6)和两个电子数显温度计(7)，其中，两个所述电子数显温度计(7)的探头(71)分别设置在两个所述储气盒(5)内；所述安装面板(1)上安装有直流电源接头(8)、电源开关(9)和加热开关(10)，其中，两个所述电子数显温度计(7)通过电源开关(9)与所述直流电源接头(8)电连接，加热开关(10)通过电源开关(9)与所述直流电源接头(8)电连接；所述第一电阻(2)、第二电阻(3)和第三电阻(4)、电流表(6)以及加热开关(10)的两端均设置有接线柱；所述第一电阻(2)、第二电阻(3)和第三电阻(4)均分别包括两根电阻值为10ω的电热丝。2.如权利要求1所述的一种焦耳定律演示器，其特征在于：所述储气盒(5)包括盒体(51)和后盖(52)，所述盒体(51)面板为半透明窗口(53)。3.如权利要求2所述的一种焦耳定律演示器，其特征在于：所述盒体(51)和后盖(52)通过嵌设磁铁(56)磁吸固定。4.如权利要求2所述的一种焦耳定律演示器，其特征在于：所述盒体(51)和后盖(52)内壁上设置有保温垫层(54)。5.如权利要求2所述的一种焦耳定律演示器，其特征在于：所述后盖(52)背面设置有把手(55)。6.如权利要求1所述的一种焦耳定律演示器，其特征在于：所述安装面板(1)的底部通过连接角件(11)安装有底板(12)。

技术总结
本实用新型涉及物理实验教具的技术领域的一种焦耳定律演示器，包括安装面板，安装面板上安装有第一电阻、第二电阻和第三电阻，第一电阻和第二电阻设置在可密闭的储气盒内，第三电阻为外置状态；安装面板上安装有两个电流表和两个电子数显温度计，两个电子数显温度计的探头分别设置在两个储气盒内；安装面板上安装有直流电源接头、电源开关和加热开关，两个电子数显温度计通过电源开关与直流电源接头电连接，加热开关通过电源开关与直流电源接头电连接；第一电阻、第二电阻和第三电阻、电流表以及加热开关的两端均设置有接线柱；本实用新型可大大增强可视性，缩短实验时间，满足定性和定量探究要求，有效提高课堂演示和探究效率。率。率。


技术研发人员：刘世水
受保护的技术使用者：福建省教育装备与基建中心
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/7/27