專利名稱：：用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電學(xué)教具，特別是一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置(或稱交流電有效值演示器)，適用作高中物理交流電有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示儀器使用。
背景技術(shù)：
：交流電的有效值是高中物理課程中學(xué)生必須掌握的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，但是在高中物理教學(xué)中許多同學(xué)很難理解交流電的有效值這一抽象概念，而在中學(xué)的物理教學(xué)儀器目錄中也沒(méi)有相應(yīng)的教具，從而制約了這一知識(shí)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，使得同學(xué)們無(wú)法直觀的理解交流電有效值的概念。但眾所周知，交流電的有效值是通過(guò)電流的熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定的，因此，在教學(xué)實(shí)踐中采用的實(shí)驗(yàn)方法是分別用交流電和直流電給電阻絲供電對(duì)水進(jìn)行加熱，同時(shí)用溫度計(jì)測(cè)量水的溫度變化以此換算成電阻絲由于熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量。然而采用上述方法做實(shí)驗(yàn)存在以下缺點(diǎn)一是實(shí)驗(yàn)器材不好籌備，且實(shí)驗(yàn)操作十分麻煩、費(fèi)時(shí)，實(shí)驗(yàn)效率低；二是同時(shí)用量熱器和溫度計(jì)測(cè)量熱量時(shí)，實(shí)驗(yàn)的誤差較大，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)難以佐證“交流電的有效值是用電流的熱效應(yīng)來(lái)規(guī)定的”這一結(jié)論?，F(xiàn)有技術(shù)中，如專利號(hào)為“2004200550573”，
專利名稱：為“交流電有效值測(cè)量?jī)x”的技術(shù)中公開了一種能夠直接測(cè)量交流電有效值的儀器，然而它不是用來(lái)展示交流電有效值這一概念構(gòu)建過(guò)程的教具，無(wú)法用于交流電有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，因此有必要研制出一種較直觀又易于理解的演示教具或?qū)嶒?yàn)儀，才能方便地用于交流電有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置(或稱交流電有效值演示器)，它能夠充分展示交流電有效值這一概念的構(gòu)建過(guò)程，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)交流電有效值這一抽象概念的感性認(rèn)識(shí)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，操作方便快捷，實(shí)驗(yàn)誤差小的顯著優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是這樣構(gòu)成的，它包括外殼，設(shè)于外殼內(nèi)的電路控制板和外接電源插頭，其特征在于在外殼正面安裝有電阻性元件R1、變阻器R及正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa'、bb'、cc'(即接線柱aa'、bb'、cc')，所述的(滑動(dòng))變阻器R的一端與電阻性元件R1的接線柱e相連接，另一端與一作為接線夾的鱷魚夾g連接，所述的電阻性元件R1的接線柱f與另一接線夾即鱷魚夾g'相連，所述的電阻性元件R1與熱效應(yīng)測(cè)量裝置的探頭相正對(duì)(相對(duì)應(yīng))，電阻性元件R1的接線柱e、f還與示波器相連，所述的鱷魚夾g和g'能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別夾到正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa'、bb'、cc'上，實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的熱效應(yīng)測(cè)量裝置的讀數(shù)能與電阻性元件R1上電壓的有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。所述的電路控制板包括穩(wěn)壓電源電路、正弦交流電電源電路、直流限流電路、矩形交流電電源電路和實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路。所述的變阻器R為滑動(dòng)變阻器，該滑動(dòng)變阻器R和電阻性元件R1相串聯(lián)。改變滑動(dòng)變阻器R的阻值，就可以改變電阻性元件R1上電壓的大小滑動(dòng)變阻器R的阻值越大，電阻性元件R1上的電壓越小?；瑒?dòng)變阻器R的作用是用來(lái)調(diào)節(jié)電阻性元件R1上的電壓大小，以保證每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，三種電源加在電阻性元件R1上的電壓有效值相等。本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理為實(shí)驗(yàn)時(shí)，將鱷魚夾g和g'分別夾到正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa'、bb'、cc'上，則可以分別用正弦交流電、直流電和矩形交流電給電阻性元件R1供電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，控制電阻性元件R1上電壓的大小，使熱效應(yīng)測(cè)量裝置上顯示的讀數(shù)相等，由于各物理量成如下一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[交流電的電壓有效值或直流電的電壓值]—[電阻性元件R1電流熱效應(yīng)的強(qiáng)度]—[熱效應(yīng)測(cè)量裝置上顯示的讀數(shù)]，即“交流電的電壓有效值或直流電的電壓值”、“電阻性元件R1電流熱效應(yīng)的強(qiáng)度”及“熱效應(yīng)測(cè)量裝置上顯示的讀數(shù)”三者之間的各物理量成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，故電阻性元件R1在以上三種電源的作用下電流的熱效應(yīng)相等，這樣就可以用直流電壓值表示正弦交流電和矩形交流電的有效值。具體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程如下實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將鱷魚夾g和g'夾到正弦交流電輸出接線樁aa'上，給電阻性元件R1提供正弦交流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，從(與熱效應(yīng)測(cè)量裝置配合使用的)示波器上讀出電阻性元件R1兩端正弦交流電的電壓最大值Um，同時(shí)記下此時(shí)熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的讀數(shù)N;再將鱷魚夾g和g'夾到直流電輸出接線樁bb'上，給電阻性元件R1提供直流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的讀數(shù)仍為N，然后從示波器上讀出此時(shí)直流電的電壓值U。由于兩次熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的讀數(shù)相等，說(shuō)明直流電的熱效應(yīng)和正弦交流電的熱效應(yīng)相等，因此可以用直流電壓值表示正弦交流電的有效值。故在誤差允許范圍內(nèi)可得出4的關(guān)系，即|=由此可驗(yàn)證“正弦交流電的有效值是其最U2大值的4倍”這一結(jié)論。2再將鱷魚夾g和g'夾到矩形交流電輸出接線樁cc‘上，給電阻性元件R1提供矩形交流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R和矩形波占空比旋鈕，使熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的讀數(shù)仍為N，然后從熱效應(yīng)測(cè)量裝置上讀出矩形波正脈沖的電壓Ui和時(shí)間及矩形波電壓為零時(shí)的時(shí)間T2。同理可知，原來(lái)的直流電壓值U仍可以用來(lái)表示此時(shí)的矩形交流電的有效值。設(shè)此時(shí)矩形交流電理論上的有效值為U'，電阻性元件R1的電阻值為&，根據(jù)交流電的有效值用電流熱效應(yīng)的規(guī)定，有r2由上式可算出U'的值。故在誤差允許范圍內(nèi)會(huì)得出U'=U的關(guān)系，即理論有效值與實(shí)驗(yàn)有效值(直流電的電壓值)相等。由此可驗(yàn)證“交流電的有效值是用電流的熱效應(yīng)規(guī)定的”這一結(jié)論。較之已有的測(cè)量交流電有效值裝置，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，操作方便快捷，實(shí)驗(yàn)誤差小(相對(duì)誤差小于1%)的顯著優(yōu)點(diǎn)，它利用了物理量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，巧妙地將熱效應(yīng)測(cè)量裝置的讀數(shù)相等做為衡量交流電電壓有效值和直流電電壓值相等的條件，使實(shí)驗(yàn)操作方便快捷、準(zhǔn)確，提高了課堂實(shí)驗(yàn)的演示效率和效果，充分展示交流電有效值這一抽象概念的構(gòu)建過(guò)程，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，從而能真正實(shí)現(xiàn)交流電有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路原理圖。在附圖中，1外殼，2外接電源插頭，3熱效應(yīng)測(cè)量裝置，4穩(wěn)壓電源電路，5正弦交流電電源電路，6直流限流電路，7矩形交流電電源電路，8實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路，9熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的光敏元件，10矩形波占空比旋鈕，11電源指示燈，12電源開關(guān)K，R1為電阻性元件(即電阻性元件R1)，V為數(shù)字電壓表(即數(shù)字電壓表V)，R2為可變電阻(如10KQ的可變電阻R2)，VD為光敏元件(光敏二極管VD)。其中，在上述圖2的熱效應(yīng)測(cè)量裝置3的電路原理圖中，該熱效應(yīng)測(cè)量裝置電路的工作原理是當(dāng)電阻性元件R1上的電壓有效值增大時(shí)，其熱效應(yīng)增強(qiáng)，光敏元件(光敏二極管VD)的阻值變小，10KQ可變電阻R2上的電壓變大，則數(shù)字電壓表V的讀數(shù)變大，即數(shù)字電壓表V上的讀數(shù)與R1上電壓的有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體實(shí)施例方式參照附圖，本發(fā)明裝置包括外殼1，設(shè)于外殼1內(nèi)的電路控制板及其連接導(dǎo)線，和外接電源插頭2，其特征在于在外殼1正面安裝有電阻性元件R1、滑動(dòng)變阻器R及正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa'、bb'、cc'，所述的滑動(dòng)變阻器R的一端與電阻性元件R1的接線柱e相連接，另一端與一作為接線夾的鱷魚夾g連接，所述的電阻性元件R1的接線柱f與另一接線夾即鱷魚夾g'相連，所述的電阻性元件R1與熱效應(yīng)測(cè)量裝置3的探頭相正對(duì)(相對(duì)應(yīng))，所述的電阻性元件R1的接線柱e、f還與示波器相連，所述的鱷魚夾g和g'能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別夾到正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa'、bb'、cc'上，實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的熱效應(yīng)測(cè)量裝置3的讀數(shù)能與電阻性元件R1上電壓的有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述的電路控制板包括穩(wěn)壓電源電路4、正弦交流電電源電路5、直流限流電路6、矩形交流電電源電路7和實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路8。上述的電阻性元件R1為燈泡、電阻絲等電阻性元件，熱效應(yīng)測(cè)量裝置3為紅外線溫度儀或以光敏元件為探頭的自制測(cè)量裝置，當(dāng)熱效應(yīng)測(cè)量裝置3是以光敏元件9為探頭的自制測(cè)量裝置時(shí)，其光敏元件9與電阻性元件R1相正對(duì)。所述與電阻性元件R1的接線柱e、f相連接的示波器，即示波器與上述的熱效應(yīng)測(cè)量裝置3配合使用，是用以顯示出電阻性元件R1兩端的電壓波形。實(shí)施例參照附圖，當(dāng)電阻性元件R1選用2.5V0.3A的燈泡，熱效應(yīng)測(cè)量裝置3選用紅外線光敏二極管VD為探頭的自制測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將鱷魚夾g和g'夾到正弦交流電輸出接線樁aa'上，給燈泡R1提供正弦交流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，從配合熱效應(yīng)測(cè)量裝置3使用的示波器上讀出燈泡R1兩端正弦交流電的電壓最大值Um,同時(shí)記下此時(shí)熱效應(yīng)測(cè)量裝置3上的讀數(shù)N;再將鱷魚夾g和g'夾到直流電輸出接線樁bb'上，給燈泡R1提供直流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使熱效應(yīng)測(cè)量裝置3上的讀數(shù)仍為N，然后從示波器上讀出此時(shí)直流電的電壓值U。由于兩次熱效應(yīng)測(cè)量裝置上的讀數(shù)相等，說(shuō)明直流電的熱效應(yīng)和正弦交流電的熱效應(yīng)相等，因此可以用直流電壓值表示正弦交流電的有效值。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>故在誤差允許范圍內(nèi)可得出Um/U≈1.4的關(guān)系，即U/Um＝(2/2，由此可驗(yàn)證“正弦交流電的有效值是其最大值的(2/2”這一結(jié)論。再將鱷魚夾g和g'夾到矩形交流電輸出接線樁cc'上，給燈泡R1提供矩形交流電，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R和矩形波占空比旋鈕10，使熱效應(yīng)測(cè)量裝置3上的讀數(shù)仍為N，然后從示波器上讀出矩形波正脈沖的電壓仏和時(shí)間及矩形波電壓為零時(shí)的時(shí)間T2。同理可知，原來(lái)的直流電壓值U仍可以用來(lái)表示此時(shí)的矩形交流電的有效值。設(shè)此時(shí)矩形交流電理論上的有效值為U'，燈泡R1的電阻值為凡，根據(jù)交流電的有效值用電流熱效應(yīng)的規(guī)定，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>由上式可算出U'的值。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>故在誤差允許范圍內(nèi)會(huì)得出U'=U的關(guān)系，即理論有效值與實(shí)驗(yàn)有效值(直流電的電壓值)相等。由此可驗(yàn)證“交流電的有效值是用電流的熱效應(yīng)規(guī)定的”這一結(jié)論。本發(fā)明的未述部分與現(xiàn)有技術(shù)相同。權(quán)利要求一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置，它包括外殼(1)，設(shè)于外殼內(nèi)的電路控制板和外接電源插頭(2)，其特征在于在外殼正面安裝有電阻性元件R1、變阻器R及正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa′、bb′、cc′，所述的變阻器R的一端與電阻性元件R1的接線柱e相連接，另一端與一作為接線夾的鱷魚夾g連接，所述的電阻性元件R1的接線柱f與另一接線夾即鱷魚夾g′相連，所述的電阻性元件R1與熱效應(yīng)測(cè)量裝置(3)的探頭相正對(duì)，電阻性元件R1的接線柱e、f還與示波器相連，所述的鱷魚夾g和g′能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別夾到正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa′、bb′、cc′上，實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述的熱效應(yīng)測(cè)量裝置(3)的讀數(shù)能與電阻性元件R1上電壓的有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置，其特征在于所述的電路控制板包括穩(wěn)壓電源電路(4)、正弦交流電電源電路(5)、直流限流電路(6)、矩形交流電電源電路(7)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量電路(8)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交流電有效值演示器，其特征在于所述的變阻器R為滑動(dòng)變阻器，該滑動(dòng)變阻器R和電阻性元件R1相串聯(lián)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置，其特征在于所述的電阻性元件R1為燈泡或電阻絲制成的電阻性元件，熱效應(yīng)測(cè)量裝置(3)為紅外線溫度儀或以光敏元件為探頭的自制測(cè)量裝置，當(dāng)熱效應(yīng)測(cè)量裝置(3)是以光敏元件(9)為探頭的自制測(cè)量裝置時(shí)，該光敏元件(9)與電阻性元件R1相正對(duì)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置，其特征在于所述與電阻性元件R1的接線柱e、f相連接的示波器，是用以顯示電阻性元件R1兩端的電壓波形。全文摘要一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的測(cè)量交流電有效值的裝置，特點(diǎn)是在外殼正面安裝有電阻性元件R1、變阻器R及正弦交流電、直流電和矩形交流電三種電源的三對(duì)輸出接線樁aa′、bb′、cc′，變阻器R的一端與電阻性元件R1的接線柱e相連，另一端與一作為接線夾的鱷魚夾g連接，R1的接線柱f與另一鱷魚夾g′相連，電阻性元件R1與熱效應(yīng)測(cè)量裝置的探頭相正對(duì)，R1的接線柱e、f與示波器相連，鱷魚夾g和g′能根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別夾到三種電源的三對(duì)接線樁aa′、bb′、cc′上，熱效應(yīng)測(cè)量裝置的讀數(shù)能與電阻性元件R1上電壓的有效值成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。本技術(shù)能充分展示交流電有效值這一抽象概念的構(gòu)建過(guò)程，真正實(shí)現(xiàn)交流電有效值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，結(jié)構(gòu)合理操作方便快捷，實(shí)驗(yàn)誤差小。文檔編號(hào)G09B23/18GK101833030SQ20101017056公開日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年5月12日優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日發(fā)明者繆庚平申請(qǐng)人:繆庚平