屬于教學儀器演示領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

創(chuàng)新是民族之魂，青年學生是創(chuàng)新的力量。

國家的強盛在于人材，人材的培養(yǎng)在于教育。教育的重點青少年，少年強則國強，少年進步則國進步，要培養(yǎng)少年對科學的熱愛，提高教學質(zhì)量是關(guān)鍵，而實驗儀器的精準是提高教學的一個重要因素，實驗儀器好，所做的實驗更具說服力，從而使學生認識事物，了解自然現(xiàn)象，啟發(fā)學生的思維，對提高教育水平起到重要作用。因此，教學中的各種實驗儀器都在不斷的提升，但卻還存在著很多不足之處：一是實驗儀器的種類不足，特別是針對低年級學生的實驗儀器還不全面。二是教學儀器中寓教于樂的精神還不夠，三是現(xiàn)在多數(shù)教學儀器的成本太高，因而對一些偏遠的村莊學校，還不能普及到很多普遍的教學儀器。四是儀器太過復雜，學生不能自己動手制作，因此不能通過讓他們自制儀器來培養(yǎng)他們自己動手的好習慣和對科學的熱情。

電學是物理學中最重要的一種門類，充滿神奇的電學實驗，能激發(fā)少年的興趣，同時對建立電學的基本概念有著重要的作用，如果能研制一種多功能的導電演示儀而且演示儀能將抽象的將電學部分概念與定律形象化，顯然對受教育者有有著積極的幫助。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了讓教學儀器普及到每所學校，豐富教學儀器的種類，本發(fā)明的措施是研制物體在交直流時導電情況的教學演示儀，其目的一是讓學生從一種感性的角度，了解物體在交流與直流中導電的情況，理解物體的概念與意義，進而理解理解歐姆定律的意義，因而讓學生打下基礎(chǔ)。二是線路簡單，容易制作成功，能讓學生自制演示，培養(yǎng)學生的動手能力。三是該儀器具有光與聲的三種色彩的顯示，因此具有一定的趣味性，能培養(yǎng)起廣大青少年對科學的熱愛。四是成本低廉，可以成為一種在廣大學校普及的儀器。

所采用的措施是：

1、一種能自制的教學演示儀由自制電容、轉(zhuǎn)換開關(guān)，測試孔，振蕩級，功放級，放大級，平衡級，分壓級，顯示級，語音級共同組成。

其中：自制電容是兩塊銅片粘貼而成，兩塊銅片上各焊接一根引線引出。

轉(zhuǎn)換開關(guān)的一端接地線，另一端接振蕩級的振蕩中心點，振蕩級的輸出接功放級的輸入，功放級的輸出與放大級的輸入之間接測試孔，放大級的輸出接平衡級的輸入，平衡級的輸出接顯示級、分壓級、語音級。

振蕩級由振蕩一門、振蕩二門、振蕩電容、振蕩電阻一、振蕩電阻二組成：振蕩一門的輸出端為兩路，一路接振蕩二門的輸入端，一路接振蕩電阻一的一端，振蕩電容的一端接在振蕩二門的輸出端，振蕩電容的另一端為振蕩中心點，振蕩電阻二的一端接振蕩一門的輸入端，振蕩電阻一的另一端與振蕩電阻二的另一端都接振蕩中心點，振蕩二門的輸出端即是振蕩級的輸出，功放級的輸入。

功放級由兩個門電路并聯(lián)而成，其輸出端接測試孔的一端，測試孔的另一端接放大級的輸入。

放大級由兩個門、兩個靈敏度電阻組成：第一門的輸入端即是放大級的輸入，第一門的輸出端接第二門的輸入端，第二門的輸出端即是放大級的輸出，每個門的輸入與輸出之間接一個靈敏度電阻。

平衡級由上偏平衡電阻、下偏平衡電阻、平衡三極管、平衡測試指示支路組成：上偏平衡電阻接在放大級的輸出與平衡三極管的基極之間，下偏平衡電阻接在平衡三極管的基極與發(fā)射極之間，平衡三極管的集電極接放大級的輸出，平衡三極管的發(fā)射極即是平衡級的輸出，平衡測試指示支路接在平衡級的輸出與地線之間。

分壓級由N個上偏分壓電阻與下偏分壓電阻組成：第一個上偏分壓電阻的一端接平衡級的輸出，另一端串聯(lián)其余分壓電阻，最后一個分壓電阻串聯(lián)下偏分壓電阻到地線，其每個串聯(lián)點接顯示級中一個顯示起動單元的輸入。

顯示級由顯示起動單元與顯示指示單元組成。

顯示起動單元有多組，每組顯示起動單元由兩個反相器與交連電阻組成，每組顯示單元的輸出與地線之間接一組顯示指示單元，每組顯示起動單元中的第一個反相器的輸入即是該組顯示起動單元的輸入，第一個反相器的輸出與第二個反相器的輸入之間接交連電阻，第二個反相器的輸出即是該顯示起動單元的輸出。

每組顯示指示單元由三路或多路指示支路并聯(lián)而成，每路指示支路由指示燈與指示保護電阻串聯(lián)而成。

語音級由多個語音指示組成：每組顯示起動單元對應一個語音指示，接在每組顯示起動單元的輸入上。

2、振蕩級中的兩個門、功放級中的兩個門電路、放大級中的兩門、顯示起動單元中的反相器都采用集成電路CD4069。

3、平衡三極管為NPN三極管。

4、平衡上偏電阻由可調(diào)電阻與固定電阻串聯(lián)而成。

對本措施的進一步解釋如下：

一、本發(fā)明的主要目的是讓教學儀器普及到每所學校，豐富教學儀器的種類，本發(fā)明的措施是研制物體在交直流時導電情況的教學演示儀，其目的一是讓學生從一種感性的角度，了解物體在交流與直流中導電的情況，理解物體的概念與意義，進而理解理解歐姆定律的意義，因而讓學生打下基礎(chǔ)。二是線路簡單，容易制作成功，能讓學生自制演示，培養(yǎng)學生的動手能力。三是該儀器具有光與聲的三種色彩的顯示，因此具有一定的趣味性，能培養(yǎng)起廣大青少年對科學的熱愛。四是成本低廉，可以成為一種在廣大學校普及的儀器。

二、本發(fā)明是意在讓學生自制儀器、自制電感、自制電容、自制電阻等物體，培養(yǎng)學生的親自動手能力，本儀器能夠測試電容、電阻、電感等物體，使學生能更直觀的了解各種物體的導電情況，通過測試電容、電感、電阻得到的效果不同，在測試電容時，直流情況下，顯示級只閃亮一下，而在交流時，當振蕩頻率越快，顯示級啟動越多，而電感得到的結(jié)果卻相反，當振蕩頻率越快，亮得越少。

在檢測電容時，本演示儀的效果是：在直流時，即轉(zhuǎn)換開關(guān)為接通狀態(tài)下，電容在直流狀態(tài)下，因為功放級的輸出始終為高位，因此電容在一瞬間充滿電后擱置，所以顯示級只亮一下，而在交流狀態(tài)下，即轉(zhuǎn)換開關(guān)為斷開狀態(tài)，振蕩級開始振蕩，功放級的輸出為高低循環(huán)變換，所以電容呈現(xiàn)的狀態(tài)為充放電的循環(huán)，所以到達顯示級時，亮一段數(shù)值，當頻率加快時，顯示級亮得越多。

三、振蕩級與轉(zhuǎn)換開關(guān)。

振蕩級由振蕩一門、振蕩二門、振蕩電容、振蕩電阻一、振蕩電阻二組成：振蕩一門的輸出端為兩路，一路接振蕩二門的輸入端，一路接振蕩電阻一的一端，振蕩電容的一端接在振蕩二門的輸出端，振蕩電容的另一端為振蕩中心點，振蕩電阻二的一端接振蕩一門的輸入端，振蕩電阻一的另一端與振蕩電阻二的另一端都接振蕩中心點，振蕩二門的輸出端即是振蕩級的輸出，功放級的輸入。

形成的振蕩原理是：當振蕩二門輸出為高位時，通過振蕩電容、振蕩電阻一到振蕩門一的輸出端，開成對振蕩電容的充電狀態(tài)，此時振蕩中心點為高位。導致振蕩門一的輸入端為高位，直至振蕩前半周期的結(jié)束。當振蕩電容的隔離效果使中心點電壓低于門的門坎電壓后（閥值電壓后），振蕩一門的輸出端由低充變?yōu)楦?，這時振蕩一門的輸出端輸出電流通過振蕩電阻一向振蕩電容進行反方向的放電過程。此時為振蕩的后半周期，直至后半周期的結(jié)束，當振蕩中心點的電壓值高于閥值后，又重復著第一個周期的過程。進行以后的振蕩。

當振蕩二門的輸出為高位輸出時，經(jīng)過功放級的轉(zhuǎn)換，輸出的是低位，反之當振蕩級輸出低位，功放級輸出高位。

調(diào)整振蕩電阻與振蕩電容能方便地調(diào)整頻率，振蕩電阻由兩個電阻串聯(lián)而成，更方便于調(diào)試。

本發(fā)明采用這種振蕩電路的原因一是振蕩可靠，二所用元件少，三是可以增設(shè)頻率可調(diào)，四是所用的門電路少，而一個4069有2個單元，因而可以用其它的單元來實施本發(fā)明的其它需要的反相器，因而利用率高。

轉(zhuǎn)換開關(guān)接在了振蕩級的振蕩中心點上，當轉(zhuǎn)換開關(guān)接通時，振蕩停振，視為直流輸出，其輸出為高位，得到是功放級輸出低位。當轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開時，振蕩級開始振蕩，輸出高低變換，為交流輸出。

四、放大級的說明。

放大級由兩個門、兩個靈敏度電阻組成：第一門的輸入端即是放大級的輸入，第一門的輸出端接第二門的輸入端，第二門的輸出端即是放大級的輸出，每個門的輸入與輸出之間接一個靈敏度電阻。

放大級不僅能將其信號放大，更能提升帶負載的能力。在檢測電阻時，它的輸出能定型地反應不同電阻導電率的大小。

五、平衡級的作用：平衡級由上偏平衡電阻、下偏平衡電阻、平衡三極管、平衡測試指示支路組成：上偏平衡電阻接在放大級的輸出與平衡三極管的基極之間，下偏平衡電阻接在平衡三極管的基極與發(fā)射極之間，平衡三極管的集電極接放大級的輸出，平衡三極管的發(fā)射極即是平衡級的輸出，平衡測試指示支路接在平衡級的輸出與地線之間。

在放大級的輸出不為零時，平衡級能使其信號不能通過，即是在未有測試物時，顯示級不會啟動，平衡級中的上偏平衡電阻由可調(diào)電阻與固定電阻串聯(lián)而成，能可靠地調(diào)整出平衡級的閥值，使之在沒有測試物體時，放大級的微弱信號不能擊穿其閥值，顯示級不啟動。而當有測試物體信號時，能可靠地通過平衡級，使顯示級能可靠顯示。

六、分壓級的作用：分壓級由N個上偏分壓電阻與下偏分壓電阻組成：第一個上偏分壓電阻的一端接平衡級的輸出，另一端串聯(lián)其余分壓電阻，最后一個分壓電阻串聯(lián)下偏分壓電阻到地線，其每個串聯(lián)點接顯示級中一個顯示起動單元的輸入。

它的每級分壓都接一個顯示起動單元的輸入，因此，當被測物體的導電性能越高，顯示起動單元啟動越多，顯示越多。

七、顯示級與語音級：顯示級與語音級同步，當被測物體導電性能越高，顯示級啟動越多，語音級也啟動越多，因而，它能從宏觀上體現(xiàn)出被測物體的導電性能。

實施后有以下突出的優(yōu)點：

1、電學是物理學中重要的內(nèi)容，學生能清楚地能過儀器感悟到，在交直流中物體的導電性能，幫助初學者建立電學中最基本概念有著積極的作用。

2、能對物體的導電性進行識別，并能定型地反映出能量大小、并讓眾多觀看者演示，這是很多較低檔的儀器難以做到的。演示方法是將所測的物體放在檢測板即可。

（1）、在科普教育中，物體的導電性從一種直觀的顯示中可以很方便地表現(xiàn)出來，觀看者清楚直觀，易于接受。

（2）、能定性地看出導電的物理的能量大小，如果所檢測的物體導電性能大，顯示級中的顯示指示單元亮的數(shù)量多，反之所亮數(shù)量小。

（3）、使用方便，在測試物體時，只需將物體插入測試孔，模擬交直流時只需將轉(zhuǎn)換開關(guān)接通與斷開即可，讓對應的顯示指示單元發(fā)亮，十分方便。

3、歐姆定律是電學中最重要的基本定律，學好歐姆定律對電學的深化學習有重要的鋪墊作用。初學者感到定義抽象，通過本儀器定型地演示，能使初學者對歐姆定律消化理解，而不是簡單地產(chǎn)生只是機械式的呆板記憶。演示方法是用兩測試夾，分別夾做電阻的兩端，然后將兩測試夾分別插入儀器中兩測試孔內(nèi)。

（1）、定型地演示歐姆定律揭示的電壓一定時，電流與電阻之間的關(guān)系。電阻越大，電流越小的視覺效果。

而本儀的眾多發(fā)光管寓意是一條河流，將抽象的電流比喻成為了水流。當電流過測試體時，導電率高的物體所演示的現(xiàn)象是電流如河水一樣能從始點流向終點，直觀視覺效果是電流過物體時受到的阻力（即電阻）很小，因而電流很暢通。流得遠，導電率差的物體種類如所測的電阻，受到的阻力大（即電阻大），如水流一樣，流動困難，流得近。

（2）、定型地演示歐姆定律揭示的當電阻為一定時，電壓越大，電流越大。以及電壓越小，電流越小的視覺效果。

用一只電阻作為測試物體，演示時其顯示發(fā)光管為部分發(fā)光管亮，此時調(diào)整儀器內(nèi)靈敏度調(diào)整電阻的阻值，讓其放大倍數(shù)增加，測試電壓指示發(fā)光管明亮，其演示意義是提高所測電阻的端電壓，此時顯示單元的發(fā)光管亮的數(shù)量升位，成為良導體的現(xiàn)象，表示出電流增大后的視覺效果。反之，調(diào)整儀器內(nèi)的靈敏度調(diào)整電阻的阻值，讓其放大倍數(shù)減少，此時發(fā)光管亮的數(shù)量減少，從而表示電流減少的情況。

由于本儀最大好處是能將抽象的概念變得形象化，這對初學者特別是邊遠的山區(qū)的學生教育，是很有幫助。

（3）、本儀有光量顯示，光標顯示，聲音效果，三重效果，而且每種顯示效果不一樣，光標顯示為閃動，光量示為光亮，聲音為周期報送，增加了趣味效果，觀看者寓教于樂。

4、本儀可以讓學生了解一些簡單物理與化學現(xiàn)象，以激勵青少年的科學激情。

（1）、建立半導體的最基本概念：

演示方法是用兩測試夾，分別夾做二極管的兩極的兩端，然后將兩測試夾分別插入儀器中兩測試孔內(nèi)。

此時的顯示上會出現(xiàn)良導體即是導電率很高的現(xiàn)象。如果反極性插入測試孔中，此時顯示上會出現(xiàn)絕緣體的不通電現(xiàn)象。

（2）、了解導體不僅存在于金屬內(nèi)，而且存在于液體的情況：

演示方法是用兩測試夾，分別置內(nèi)容器的兩適當位置，兩測試夾的另一端分別插入儀器中兩測試孔內(nèi)。容器內(nèi)放入水，調(diào)整兩測試夾的遠近，讓電荷光量顯示單元的發(fā)光管為一種狀態(tài)，在水里加上鹽，這時該會發(fā)現(xiàn)顯示單元的發(fā)光管所亮的數(shù)量會增加，這告訴了初學者，導電體不光是固態(tài)的金屬類，而且存在于液體。

（3）、了解同樣的物體導電性能與環(huán)境有關(guān)：

如用鱷魚夾子夾住干燥的木材的兩端，這時顯示級發(fā)光管亮得很少，甚至不亮，但將水灑在所測試的本材上，發(fā)光管所亮的數(shù)量會增加，這說明木材受潮后導電性能會增加。

5、能培養(yǎng)學生的動手能力，其原因一是線路精簡，集成化單元高，整個線路易分析，很緊湊，精煉，為可靠性創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。三是光顯示，聲指示配合好，各級邏輯嚴密。二是所需元件少，無需調(diào)試，易生產(chǎn)，一裝就成，成本很低，可以普及到更廣闊的范圍。所以能培養(yǎng)廣大青少年科學的情趣，熱愛科學，愛試驗，愛動手的好習慣，這是本發(fā)明的一個重要目的。

附圖說明

圖1是一種能自制的教學演示儀的電子電路原理圖。

圖中：1.1、轉(zhuǎn)換開關(guān)；1.2、振蕩一門；1.3、振蕩二門；1.4、振蕩電容；1.5、振蕩電阻一；1.6、振蕩電阻二；2、功放級；3、測試孔；4.1、放大級中的第一門；4.2、放大級中的第二門；4.3、靈敏度電阻；5.1、平衡三極管；5.2、上偏平衡電阻；5.3、下偏平衡電阻；5.4、平衡測試指示支路；6.1、第一個上偏分壓電阻；6.N、最后一個上偏分壓電阻；6.Z、下偏分壓電阻；7.11、第一組顯示起動單元的第一個反相器；7.12、第一級顯示起動單元的交連電阻；7.13、第一組顯示起動單元的第二個反相器；7.N1、最后一組顯示起動單元的第一個反相器；7.N2、最后一組顯示起動單元的交連電阻；7.N3、最后一組顯示起動單元的第二個反相器；8.1、第一組顯示指示單元； 8.N、最后一組顯示指示單元；9.1、第一個語音指示；9.N、最后一個語音指示。

圖2是自制電容側(cè)面示意圖。

圖中：2—1、自制電容的銅片1；2—2、自制電容的銅片2；2—3、粘貼兩銅片的雙面膠；2—4、自制電容的銅片1的引出線；2—5、自制電容的銅片2的引出線。

具體實施方式

圖1、圖2是具體實施的一種方式。

一、選件：振蕩級中的兩個門、功放級中的兩個門電路、放大級中的兩門、顯示起動單元中的反相器都采用集成電路CD4069。平衡三極管為NPN三極管。平衡上偏電阻由可調(diào)電阻與固定電阻串聯(lián)而成。

二、焊接：各部分的具體電子元件連接如圖1焊接，自制電容如圖2所示焊接：用兩塊銅片各焊接一根據(jù)引線，再將兩塊銅片用雙面膠粘貼在一起，將兩根據(jù)引線分別插入測試孔。

三、調(diào)試。

將自制電容插入測試孔。當轉(zhuǎn)換開關(guān)為接通狀態(tài)下，視為直流，當轉(zhuǎn)換開關(guān)為斷開狀態(tài)下，視為交流。

1、振蕩級的調(diào)試。

在交流狀態(tài)下，用示波器的熱端接振蕩中心點，冷端接地。

在接通電源后，示波器有的振蕩圖形顯示。

如果不正確，則可能是元件焊接有誤，或可能是振蕩電容質(zhì)量不好，嚴重漏電。

調(diào)節(jié)振蕩電阻與振蕩電容值，使示波器所顯示的的頻率符合設(shè)計要求，其規(guī)律是電阻越大，頻率越慢，反之越快。

2、平衡級的調(diào)試。

調(diào)整上偏平衡電阻，其標準是：在測試孔沒有測試物時，平衡級的輸出無電壓，在測試孔中插入一個大阻值的電阻，平衡級能有輸出。

3、顯示級與語音級。

如果顯示起動單元中的反相器放大量不夠，調(diào)整兩反相器之間的交連電阻，使之符合要求。

在每組顯示起動單元起動時，對應語音發(fā)出聲音提示，對應顯示指示單元發(fā)出光指示。

4、將自制電容插入測試孔中，在交流時，即是在轉(zhuǎn)換開關(guān)為斷開狀態(tài)下，調(diào)整振蕩頻率，使振蕩加快，觀察顯示指示單元，頻率越快，顯示指示單元亮得越多，頻率越慢，亮得越少。在直流時，即轉(zhuǎn)換開關(guān)為接通狀態(tài)下，顯示指示單元只閃亮一下，之后為熄。