探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪

技术领域

    本发明属于物理教学实验设备，具体涉及一种探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪。

背景技术

    气体中的原子（或分子）在强电场（或磁场）作用下相互碰撞，使得束缚电子脱离气体原子而成为自由电子，这时有电流通过气体而发生放电现象。对中学物理而言，高中课本中设计有利用气体放电管进行稀薄气体放电的演示实验，并且在洛伦兹力的介绍中提到了带电粒子在磁场中的运动。气体放电在中学和大学物理实验教学中有着举足轻重的作用，需要能够完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象的仪器，通过控制电压、气压、电流、极间距、不同气体等因素，来探究各因素对气体放电的影响。如CN103247204A公开的一种探究气体放电现象的演示平台，包括操作台、真空泵、真空计、真空钟罩、数字电流表、数字电压表、高压电源和球形电极，真空钟罩密封在操作台的上，真空泵通过管道与真空钟罩内连接；真空计通过管道与真空钟罩连接；在真空罩内设置有两个球形电极，分别与高压电源的正负极连接，数字电流表串联在球形电极与高压电源之间，数字电压表并联在高压电源两极之间。该演示平台能够完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，并且能够通过控制电压、气压、电流、极间距、不同气体等因素，来探究各因素对气体放电的影响。但探究内容较为单一，没有涉及极间距、电流、不同气体等因素的探究和演示。在演示不同场强或磁场下的气体放电现象时，也缺乏变量探究。 

    对气压影响沸点而言，中学阶段提及到了气压对水沸点的定性影响。为了便于在课堂进液体沸点与压强的关系的演示，有关人员设计了演示装置，使学生能够直观地气压对液体沸点的影响。如CN201955970U公开的“一种液体沸点与压强关系演示装置”，包括铁架台、加热器、玻璃烧瓶、橡胶塞、温度计与通气管；玻璃烧瓶盛放液体并置于铁架台上，加热器位于玻璃烧瓶下方对玻璃烧瓶加热，橡胶塞密封于玻璃烧瓶口，温度计穿过橡胶塞伸入玻璃烧瓶中的液体中；通气管穿过橡胶塞伸入玻璃烧瓶中的液面上。但探究内容较为单一，不能对不同液体沸点与其表面气压进行定量的研究，致使学生难以理解其深层次的原理。

发明内容

    本发明的目的是提供一种探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪，其能够完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，并且能够控制电压、气压、电流、极间距、不同气体等因素，来观察影响气体放电时各因素间的关系；通过外加电场和磁场，演示带电粒子的偏转现象；还能有效观察、定量研究气压与不同液体沸点间的关系。

    所述的探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪，包括操作台，设在操作台内的真空泵、真空气压计、直流高压电源、平行板电源、螺线管电源和电热丝电源，设在操作台上面的两个真空容器，其特征是：在所述的一个真空容器内设有探究气压与沸点关系真空系统，在所述的另一个真空容器内设有气体放电真空系统；所述直流高压电源设在操作台内的直流高压电源区中。

    所述探究气压与沸点关系真空系统包括加热容器、设在加热容器底部的电热丝、设在加热容器内壁上的热敏传感器、倒扣在加热容器外面的冷凝器，在冷凝器的下部设有排水口，在冷凝器的上部设有注水口和通气孔，所述通气孔穿过冷凝器内壁和冷凝器外壁，使冷凝器的内部与外部相通，从而使加热容器内部液体上方气压等于探究气压与沸点关系真空系统中的气压；所述电热丝与设在操作台内的电热丝电源连接；

所述气体放电真空系统包括两个水平设置的球形电极，一个球形电极通过铜棒固定在操作台的上面，另一个球形电极通过铜棒固定在一滑块上，该滑块与设在操作台上面的滑槽配合，该滑块能够在滑槽内滑动改变极间距；两个球形电极分别与设在操作台内的直流高压电源的正负极连接；还包括两块分别设在两个球形电极上下两侧的平行电极板，下面的一块平行电极板通过连接在操作台上的金属支架支撑，上面的一块平行电极板通过连接在操作台上的绝缘支架支撑，在上面的一块平行电极板的下面和下面的一块平行电极板的上面分别设有一结构相同的螺线管，两个螺线管的管口相对并保存一定距离；两块平行电极板分别与设在操作台内的平行板电源的正负极连接，两个螺线管分别与设在操作台内的螺线管电源的正负极连接。

    所述的探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪，在所述操作台的前侧面上设有螺线管电源开关、平行电极板电源开关、数显温度计开关、真空泵开关、直流高压电源开关、总电源开关、直流高压电源调节旋钮、数字电压表、油量表、真空计、阀门、数显温度计、平行电极板电源调节旋钮和螺线管电源调节旋钮；所述数字电压表并联在所述两球形电极之间；所述真空计通过橡胶管分别与探究气压与沸点关系真空系统和气体放电真空系统连接，用于测量这两真空系统内的真空度；所述阀门用于控制三通管道推/拉状态，所述数显温度计与所述热敏传感器电连接；

在所述操作台的后侧面上设有电源插槽、水源接口、两个进气口、电风扇和出水口，所述水源接口通过软管与所述冷凝器的注水口连接相通，所述出水口通过软管与所述冷凝器的排水口连接相通；所述两个进气口分别通过导管与所述真空泵连接；

在所述操作台的上面还设有真空泵出气孔、真空泵加油孔和两个真空泵抽气孔，一个真空泵抽气孔设在探究气压与沸点关系真空系统内，另一个真空泵抽气孔设在所述气体放电真空系统内；所述两个真空泵抽气孔通过软管与设操作台内的真空泵连接相通，所述真空泵通过三通管道分别与探究气压与沸点关系真空系统和气体放电真空系统内的真空泵抽气孔21连接，通过控制三通管道内的阀门选择真空泵作用的真空系统。

   进一步，所述两个真空容器为透明的玻璃容器，均密封固定在操作台的上面，真空容器盖下垫有橡皮密封圈。

    进一步，所述平行板电源和螺线管电源均为直流低压电源。

    在气体放电系统中，真空容器内设置有两个球形电极，通过设在真空系统内的电极接口分别与高压电源的正负极连接，所述数字电流表串联在球形电极与高压电源之间，所述数字电压表并联在高压电源的正负极之间；所述平行电极板放置在金属电极上下两侧，两极板分别与低压电源两极相连，下极板通过金属支架支撑，外包有绝缘层，上极板通过绝缘支架支撑。所述螺线管为形状相同的两个，分别固定在上下极板上，管口相对并留有一定距离。

    在探究气压与沸点关系的系统中，加热容器在最内层，容器内固定有电热丝，并通过操作台内部伸出电热丝电源线；所述热敏传感器附在加热容器内，并将信号传至数显温度计；所述冷凝器类似于倒扣的双层中空玻璃杯，冷凝器上部还设有通气孔，连通冷凝器内外部，以使加热容器内部液体上方气压等于抽气泵所抽气压。

    冷凝器卡在操作台上表面的环形凹槽边缘，该环形凹槽稍大于冷凝器器壁的厚度，且在冷凝器外壁设有冷凝水注水口，可通过软管与操作台后侧水源接口相连。

    管道三通与两系统连接处设有阀门，阀门按下时处于推位，真空泵作用于气压与沸点关系探究系统，阀门弹起时处于拉位，作用于气体放电系统。

    在操作台的后侧各设一个真空系统通气阀门，该阀门通过导管分别与气体放电系统及探究气压与沸点关系系统相连，通过阀门可使真空系统与外界相通，平衡内外气压，以便打开真空系统。

   实验前，确保通气阀门拧紧，防止漏气，检查高压电源及低压电源的电压调节旋钮，确保电压为零；检查真空泵油量，若不足则从加油孔加泵油。

    进行气体放电实验时，通过滑动极间距滑槽调节极间距，固定后测量极间距并记录。盖紧真空容器的盖子，接通电源，将管道三通内的阀门处于拉位，打开真空泵开关，真空泵开始工作，真空泵将真空系统内空气抽出，使真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计上显示，当真空度达到一定值时将真空泵开关关闭，此时真空系统内部将成为密封系统，真空度保持不变。此时，打开开关使高压电源开启，通过电压调节按钮调节球形电极之间的电压，瞬时电压通过数字电压表读出。在增大电压或改变气压的过程中，可观察到火花放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电，记录击穿电压以及各种放电现象的电压电流值，并结合现象分析数据，得出实验结论。若需要探究磁场对气体放电现象的影响，可打开螺线管电源开关，通过螺线管电源调节旋钮调节螺线管中电流大小，从而改变磁场大小，观察不同磁场下气体放电现象。若需要探究电场对气体放电现象的影响，可打开平行板电源开关，通过平行板电源调节旋钮调节平行板电压大小，从而改变电场大小，观察不同电场下气体放电现象。

    进行气压与沸点关系实验探究时，向加热容器中注入待测液体，沿凹槽扣上冷凝器，分别用软管连接好进、出水口，盖紧真空容器的盖子。打开总水源接口，可让冷凝水从冷凝器的上部流入，从冷凝器的下部排出。接通电源，将管道三通内的阀门处于推位，打开真空泵开关，真空泵开始工作，真空泵将真空系统内空气抽出，使真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计上显示，当真空度达到一定值时将真空泵开关关闭，此时真空系统内部将成为密封系统，真空度保持不变。打开数显温度计开关，同时将电热丝电源接通，加热待测液体，观察到数显温度计示数增大，当加热容器内的待测液体沸腾时，观察到温度计示数保持不变。然后，停止加热液体，并待液体停止沸腾后，慢慢打开操作台后侧的进气口，改变真空系统内的气压，记录不同气压下液体的沸点，分析数据，得到液体沸点与气压的定量关系。

    本发明的有益效果：操作简便，方便演示，能完整的展示火花放电、辉光放电、电晕放电、弧光放电等不同放电现象，并且能够控制电压、气压、电流、极间距、不同气体等因素，来观察影响气体放电时各因素间的关系；通过外加电场和磁场，演示带电粒子的偏转现象；还能演示气压与液体沸点间的关系。本演示平台有利于在中学、大学实验中广泛普及，也利于开发并在科普场所展示。

附图说明

    图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的轴测图；

图3为图1的后视图；

图4为本发明的控制面板结构示意图；

图5为本发明的结构线框图；

图6为本发明中三通管道的结构示意图。

    图中：1－操作台，2－加热容器，3－冷凝器内壁，4－冷凝器外壁，5－通气孔，6－真空容器，7－球形电极，8－平行电极板，9－螺线管，10－金属支架，11－真空泵出气孔，12－真空泵加油孔，13－排水口，14－电热丝，15－热敏传感器，16－注水口，17－绝缘支架，18－直流高压电源区，19－滑槽，，21－真空泵抽气孔，22－真空泵，23－电源插槽，24－水源接口，25－进气口，26－电风扇，27－螺线管电源开关，28－平行电极板电源开关，29－数显温度计开关，30－真空泵开关，31－直流高压电源开关，32－总电源开关，33－直流高压电源调节旋钮，34－数字电压表，35－油量表，36－真空气压计，37－阀门，38－数显温度计，39－平行电极板电源调节旋钮，40－螺线管电源调节旋钮，41－探究气压与沸点关系真空系统，42－气体放电真空系统，43－直流高压电源，44－平行板电源，45－螺线管电源，46－出水口，47－电热丝电源。

具体实施方式

    为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过结合附图来对本发明进行详细阐述。

    参见图1、图2、图3、图4、图5和图6，所述的探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪，包括操作台1，设在操作台内的真空泵22、真空气压计36、直流高压电源43、平行板电源44、螺线管电源45和电热丝电源47，设在操作台上面的两个真空容器6，其突出的实质性特征是：在所述的一个真空容器6内设有探究气压与沸点关系真空系统41，在所述的另一个真空容器6内设有气体放电真空系统42；所述直流高压电源设在操作台内的直流高压电源区18中。

    所述探究气压与沸点关系真空系统41包括加热容器2、设在加热容器底部的电热丝14、设在加热容器内壁上的热敏传感器15、倒扣在加热容器外面的冷凝器，在冷凝器的下部设有排水口13，在冷凝器的上部设有注水口16和通气孔5，所述通气孔穿过冷凝器内壁3和冷凝器外壁4，使冷凝器的内部与外部相通，从而使加热容器内部液体上方气压等于探究气压与沸点关系真空系统中的气压；所述电热丝14与设在操作台内的电热丝电源47连接；

所述气体放电真空系统42包括两个水平设置的球形电极7，球形电极是直径为15.74mm的钢球，一个球形电极通过铜棒固定在操作台的上面，另一个球形电极通过铜棒固定在一滑块上，该滑块与设在操作台上面的滑槽19配合，该滑块能够在滑槽内滑动改变极间距；两个球形电极分别与设在操作台内的直流高压电源43的正负极连接；

 还包括两块分别设在两个球形电极上下两侧的平行电极板8，下面的一块平行电极板通过连接在操作台上的金属支架10支撑，上面的一块平行电极板通过连接在操作台上的绝缘支架17支撑，在上面的一块平行电极板的下面和下面的一块平行电极板的上面分别设有一结构相同的螺线管9，两个螺线管的管口相对并保存一定距离；两块平行电极板分别与设在操作台内的平行板电源44的正负极连接，两个螺线管分别与设在操作台内的螺线管电源45的正负极连接。

    所述的探究气体放电现象及气压对液体沸点影响的综合演示仪，在所述操作台1的前侧面上设有螺线管电源开关27、平行电极板电源开关28、数显温度计开关29、真空泵开关30、直流高压电源开关31、总电源开关32、直流高压电源调节旋钮33、数字电压表34、油量表35、真空计36、阀门37、数显温度计38、平行电极板电源调节旋钮39和螺线管电源调节旋钮40；所述数字电压表34并联在所述两球形电极7之间；所述真空计36通过橡胶管分别与探究气压与沸点关系真空系统41和气体放电真空系统42连接，用于测量这两真空系统内的真空度；所述阀门37用于控制三通管道推/拉状态，所述数显温度计38与所述热敏传感器15电连接；

在所述操作台1的后侧面上设有电源插槽23、水源接口24、两个进气口25、电风扇26和出水口46，所述水源接口通过软管与所述冷凝器的注水口16连接相通，所述出水口通过软管与所述冷凝器的排水口13连接相通；所述两个进气口分别通过导管与所述真空泵22连接；

在所述操作台1的上面还设有真空泵出气孔11、真空泵加油孔12和两个真空泵抽气孔21，一个真空泵抽气孔设在探究气压与沸点关系真空系统41内，另一个真空泵抽气孔设在所述气体放电真空系统42内；所述两个真空泵抽气孔21通过软管与设操作台1内的真空泵22连接相通，所述真空泵通过三通管道分别与探究气压与沸点关系真空系统和气体放电真空系统内的真空泵抽气孔21连接，通过控制三通管道内的阀门37选择真空泵作用的真空系统。

   所述两个真空容器6为透明的玻璃容器，均密封固定在操作台1的上面，真空容器盖下垫有橡皮密封圈。

    所述平行板电源44和螺线管电源45均为直流低压电源。

    所述真空泵22和高压电源43安装在操作台1内；所述真空泵22通过三通管道与探究气压与沸点关系真空系统41、气体放电真空系统42内的真空泵抽气孔21连接，通过控制管道内的阀门37选择真空泵22作用的真空系统；所述真空泵抽气孔21用于将真空系统内的空气抽出，通过真空泵出气孔11排到平台外部。

    在气体放电真空系统42内设置有两个球形电极7，球形电极为直径为15.74mm的钢球，其固定在铜棒的一端，铜棒的另一端分别与高压电源43的正负极连接，一球形电极固定在操作台上表面上，另一球形电极固定在极间距滑槽19内的滑块上，该滑块可在滑槽内滑动改变极间距。所述数字电压表34并联在高压电源43的正负极之间；所述平行电极板8放置在球形电极7上下两侧，两极板分别与平行板电源44两极相连，下极板通过金属支架10支撑，外包有绝缘层，上极板通过绝缘支架17支撑。所述螺线管9为相同的两个，分别固定在上下极板上，管口相对并留出一定距离；

在探究气压与沸点关系真空系统41中，加热容器2在最内层，底部固定有电热丝14，并通过操作台内部伸出电热丝电源线47；所述热敏传感器15附在加热容器2内部壁上，并将信号传至数显温度计38；所述冷凝器4倒扣在加热容器2外部，冷凝器上部还设有通气孔5，连通冷凝器内外部，使加热容器内部液体上方气压等于真空系统中的气压。

所述真空计36测量真空度范围为-0.1Mp-0Mpa，精度等级为1.6级，真空计36通过橡胶管与两真空系统41、42连接，用于测量两真空系统内的真空度；

所述直流高压电源43为±2500伏稳压电源，其上设有用于调节电压大小的电压调节旋钮33，并附有相应量程的数字电压表34。所述数字电压表并联在两球形电极之间。

    实验前，通过电源插槽23插上电源，打开电源总开关32，并检查两个进气口25是否拧紧，以防止漏气；检查直流高压电源调节旋钮33，确保直流高压电源43的电压为零；检查真空泵22的油量，不足时从真空泵加油孔12加油。

    在进行气体放电实验时，通过滑动配合在滑槽19内的滑块调节极间距，固定后测量极间距并记录。盖紧真空容器6的盖子，接通直流高压电源电源43，将三通管道上的阀门37处于“拉位”，打开真空泵开关30，真空泵22开始工作，真空泵将气体放电真空系统42内空气抽出，使真空系统中的气压降低，其内部真空度将在真空计36上显示，当真空度达到一定值时将真空泵开关30关闭，此时气体放电真空系统42内部将成为密封系统，气压保持不变。此时，打开直流高压电源开关31使直流高压电源43开启，通过直流高压电源调节旋钮33调节两个球形电极7之间的电压，瞬时电压通过数字电压表34读出。在增大电压或改变气压的过程中，可观察到火花放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电，记录击穿电压以及各种放电现象的电压电流值，并结合现象分析数据，得出实验结论。若需要探究磁场对气体放电现象的影响，可打开螺线管电源开关27，通过螺线管电源调节旋钮40调节螺线管9中电流大小，从而改变磁场大小，观察不同大小磁场下气体放电现象。若需要探究电场对气体放电现象的影响，可打开平行电极板电源开关28，通过平行电极板电源调节旋钮39调节两块平行电极板8之间的电压大小，从而改变电场大小，观察不同电场下气体放电现象。

    在进行探究气压与沸点关系实验时，向加热容器2中注入待测液体，沿凹槽扣上冷凝器4，盖紧真空容器6的盖子。打开总水源接口24，通过注水口16将冷凝水注入冷凝器内；通过排水口13将冷凝水排出冷凝器。打开总电源开关32，将三通管道上的阀门37处于“推位”，打开真空泵开关30，真空泵22开始工作，将探究气压与沸点关真空系统内空气抽出，使探究气压与沸点关真空系统41中的气压降低，其内部真空度将在真空计36上显示，当真空度达到一定值时将真空泵开关30关闭，此时探究气压与沸点关真空系统41内部将成为密封系统，真空度保持不变。打开数显温度计开关29，此时将电热丝电源47接通，加热待测液体，观察到数显温度计38示数增大，当加热容器2内的待测液体沸腾时，观察到数显温度计示数保持不变。慢慢打开操作台后侧的进气口25，改变探究气压与沸点关真空系统41内的气压，记录不同气压下液体的沸点，分析数据，得到液体沸点与气压的关系。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。