專利名稱:多向接頭配接式“立體結(jié)構(gòu)”教學(xué)用具的制作方法
本實(shí)用新型涉及一種表現(xiàn)立體空間結(jié)構(gòu)的綜合性理科教學(xué)模型，特別可作為學(xué)生個人的學(xué)具和少兒啟蒙教學(xué)用的玩具。
在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)“幾何體”及其他空間圖形，化學(xué)、生物學(xué)的“分子結(jié)構(gòu)”，物理學(xué)、化學(xué)“晶體結(jié)構(gòu)”等知識時，都涉及立體結(jié)構(gòu)的問題，利用實(shí)體模型給學(xué)生以生動的立體形象并培養(yǎng)其空間想像能力是普遍采用的教學(xué)方法?，F(xiàn)代教學(xué)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過自己觀察和動手的方法學(xué)習(xí)，以及從少兒時期就進(jìn)行趣味性的啟蒙教育，所以，提供一種個人能隨手使用的小型學(xué)具就顯得相當(dāng)迫切。
目前常用的這類模型中，框架式模型的教學(xué)效果較好。而框架式模型中，又有能一件多用的配接式框架模型，特別是用接頭連接接桿的接頭配接式模型，因具有易裝易卸、連接牢度適中的特點(diǎn)，很適于轉(zhuǎn)化為小型學(xué)具或玩具。
但目前這類模型因分科而設(shè)，在接頭與接桿的設(shè)計上缺乏綜合利用的考慮；即便是單科使用的配接模型，如有的數(shù)學(xué)“幾何體”插接模型，由于接頭上接點(diǎn)方位的安排不夠合理，使配接件增多，一件多用的效果不顯著；因而，無論就單科，還是綜合多科來說，配接效率還相當(dāng)?shù)汀?br>本實(shí)用新型的目的是提供一種多向接頭，并設(shè)置少量相應(yīng)的簡單輔件，形成一套數(shù)理化通用的立體模型配接用具，為各學(xué)科同時使用。這種多向接頭上的接點(diǎn)方位又可分解在幾種接頭上，分別制成更簡易的單科專用接頭。而且，無論哪種情況均具有較高的配接效率，從而使整套配接件十分簡煉，在使用、攜帶、制作、維修、包裝、運(yùn)輸上都帶來方便，成本大幅度降低，使之既可作為大型教具，更適宜轉(zhuǎn)化為小型學(xué)具或玩具。
實(shí)用新型的內(nèi)容如下這套配接式“立體結(jié)構(gòu)”教學(xué)用具分接頭與接桿兩部分。用凹接法連接時，接頭上的接點(diǎn)即小孔，接桿為插棒；用凸接法連接時，接點(diǎn)是凸頭，接桿為套管。
接頭有主接頭(圖1)與輔助接頭(圖5)各一種。為敘述方便，我們按圖號記接頭，該兩接頭就分別記為接頭一和接頭五(下同)。
主接頭的外形視需要而定。接頭一暫定外形為正方體，是為了便于說明接頭上各接點(diǎn)之間的位置關(guān)系。接頭一上有13個方位的接點(diǎn)，其位置安排相當(dāng)于一個正方體的下底面中心Z，四側(cè)棱的中點(diǎn)A、B、C、D，上底面四邊的中點(diǎn)E、F、G、H，以及正方體不相鄰的四頂點(diǎn)M、N、P、Q。(圖1)從正方體中心O到各接點(diǎn)的13個方位之間有如下的角度組合關(guān)系OA、OB、OC、OD在同一平面內(nèi)間隔90°，此關(guān)系記作為 90°－90°－90°－90°；OA、OB、OC、OD、OZ中任取不在同一平面內(nèi)的三個，構(gòu)成三個面角均為90°的直三面角，記作90°－90°－90°；OE、OF、OG、OH順次間隔60°，且對邊成90°角，記這個四面角關(guān)系為60°－60°－60°－60°；OF、OC、OG均間隔60°，構(gòu)成各面角均為60°的三面角，記此關(guān)系為60°－60°－60°－60°；(由對稱知OG－OD－OH，OH－OA－OE，OE－OB－OF也構(gòu)成與之相同的三面角關(guān)系)；
OM垂直于OE、OF所在平面，因而與OE、OF的交角分別為90°，所以，OM－OE－OF構(gòu)成三個面角分別為90°，60°，90°的三面角關(guān)系，記作90°－60°－90°；(也由對稱性知ON－OG－OH，OP－OE－OH，OQ－OF－OG也構(gòu)成同關(guān)系)；按照類似的敘述由于OM也垂直于AC，記OM－OA－OF所成的三面角關(guān)系為90°－120°－90°；(OM－OE－OC，ON－OA－OG，ON－OH－OC，OP－OB－OH，OP－OE－OD，OQ－OB－OH，OQ－OE－OD同)；由于OB垂直于OC，記OF－OB－OC所成的三面角關(guān)系為60°－90°－60°；(OE－OA－OB，OG－OC－OD，OH－OD－OA同)；而OA、OD分別是OC，OB的反向方位，所以可記OF－OA－OD所成的三面角關(guān)系為120°－90°－120°；(OE－OC－OD，OG－OA－OB，OH－OB－OC同)；又OA是OC的反向方位，所以又可記OA－OF－OG所成的三面角關(guān)系為120°－60°－120°；(OB－OG－OH，OC－OH－OE，OD－OE－OF同)；同理，記OF－OA－OB構(gòu)成的三面角關(guān)系為120°－90°－60°；(OF－OD－OC，OG－OB－OC，OG－OA－OD，OH－OB－OA，OH－OC－OD，OE－OD－OA，OE－OC－OB同)。
另外，OM、ON、OP、OQ中任兩個方位的夾角均為109°28′。
有時，為了表示任意性，也可以利用幾個非特殊角如OM與OD的夾角為35°40′，OM與ON的夾角為109°28′，OM與OZ的夾角為125°40′等。
接桿分直線與 1/4 園弧兩種形狀。直桿按長度又分為一個單位、兩個單位、三個單位三種，(圖2〔1〕－〔3〕)；園弧接桿也分直徑分別為二個單位長和三個單位長的兩種，(圖2〔4〕－〔5〕)。
用接桿表現(xiàn)數(shù)學(xué)“幾何體”的棱(或曲邊)，用接頭表現(xiàn)頂點(diǎn)(或交接點(diǎn))時就形成數(shù)學(xué)“幾何體”模型。對于常用的22種幾何體模型(圖9－30)，其各頂點(diǎn)(或交接點(diǎn))所需的方位組合在上述各方位組合關(guān)系中均可找到，且由這些方位夾角決定的棱長(或弧長)的比例關(guān)系也完全可在上述接桿中得到體現(xiàn)，所以，完成這些幾何體模型的配接是可以辦到的。對于有些幾何體來說，還可通過棱長的變化，得到多變的類型。(圖9－30)同時我們注意到，除了少數(shù)幾種模型外，一般模型的頂點(diǎn)(或交接點(diǎn)數(shù))均不超過8個，也即一般只需8個這樣的接頭即可。同樣地，接桿的配備，也只需按直桿〔2〕12根，〔1〕與〔3〕各4根， 1/4 園弧桿〔4〕12段， 1/4 園弧桿〔5〕4段即可。對少數(shù)用量較大的幾何體可考慮幾套用具聯(lián)用。
另外，配接園錐(圖22)時，在頂點(diǎn)選用方位組合60°－60°－60°－60°，底園直徑為3，則母線應(yīng)為2.1，這里只有長度為2的直桿，但考慮接頭本身還有一定的線度，還是可以配接成的。
在用接頭表示原子，接桿示意為化學(xué)鍵時，就形成分子結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)模型。內(nèi)中常用的晶體結(jié)構(gòu)模型，如食鹽(正方體組合)，明礬(正八面體)，石墨(正六棱柱)，白磷(正四面體)等，已在數(shù)學(xué)模型中反映出來。而接頭一(圖1)上的方位OM，ON，OP，OQ，任兩個的夾角均為109°28′，這不僅可用來表現(xiàn)金剛石或硅分子的晶體結(jié)構(gòu)(圖33)，而且更大量地用于組合分子模型。因?yàn)槌Ｓ迷靥荚?四價)的四鍵夾角均為109°28′，二價氧原子的鍵角為104°30′，三價氮原子的三鍵夾角一般為107°、106°或112°，也均接近這個角度，作為空間結(jié)構(gòu)的示意模型，取OM、ON、OP、OQ四方位，就可將接頭當(dāng)作碳原子；取其中任三個方位，就可將接頭當(dāng)作氮原子；取其中的兩個方位，則又可當(dāng)作氧原子使用了。再配以適量的單接點(diǎn)的輔助接頭五(圖5)表示氫原子。就與現(xiàn)用的定型教具，如部頒“J3112型分子結(jié)構(gòu)模型”中所設(shè)的原子模型一樣，也完全可以組成化學(xué)、生物學(xué)中常用的分子模型近三十種。
我們也注意到，由于這些常用分子模型中的碳原子數(shù)一般不超過6個，氮原子、氧原子的一次用數(shù)一般不超過兩個；包括氫原子在內(nèi)總化學(xué)鍵一般不超過20，所以，上設(shè)的8個接頭，20根直桿也就基本滿足這方面配接的數(shù)量要求了。
另外， 1/4 園弧型接桿選用有彈性的材料制作時，還可作雙鍵或三鍵來連接碳、氮、氧原子(圖31－32)。對于少數(shù)配接件用量較大的分子模型或晶體結(jié)構(gòu)模型也可考慮幾套用具聯(lián)用。
下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
圖1表示以正方體為外形的主接頭一，取該外形是為了便于說明各方位之間的角度關(guān)系。內(nèi)中從正方體中心O引出的各虛線表示方位；表面標(biāo)字母處表示接點(diǎn)，其中，A、B、C、D、E、F、G、H均為所在棱的中點(diǎn)，Z為下底面中心。
圖2〔1〕－〔3〕表示長度分別為1個單位，2個單位，3個單位的直桿，〔4〕－〔5〕表示直徑分別為2個單位長和3個單位長的 1/4 園弧桿。
為便于在配接時識別接頭上的接點(diǎn)方位，并考慮用球狀表示原子的習(xí)慣做法，接頭的外形也可以球?yàn)榛A(chǔ)，然后在一部分不易辯清的接點(diǎn)方位上用垂直于該接點(diǎn)方位且與球心距離為0.9239球半徑的平面截該球。使每一組方位對稱的接點(diǎn)各在形狀獨(dú)特的切面上。圖3就表示這種方位與主接頭一相同，但外形改為球體且表面具有明顯區(qū)別標(biāo)記的球形主接頭，記為接頭三。外圍的正方體虛影表示它是在接頭一基礎(chǔ)上改變外形得到的，以下再例舉的各種接頭也可根據(jù)需要改變外形。在接頭三上，方位OE、OF、OG、OH上的接點(diǎn)均在形如“
”的表面上，又方位OM、ON的接點(diǎn)在“
”形表面，方位OP、OQ的接點(diǎn)在“O”形表面上，而剩下的互相垂直的OZ、OAOB、OC、OD的接點(diǎn)仍在球面上。若能用不同色彩表示這幾種表面則更佳，這就解決了接點(diǎn)多不易識別的問題。
由于接頭上各方位組合在配接時的使用率不一樣，如OE－OF－OG－OH構(gòu)成的60°－60°－60°－60°四面角關(guān)系僅在配接正八面體(圖29)時要同時使用六個，其他情況只在配接正四棱錐(圖17)和園錐(圖22)時作為一個頂點(diǎn)使用，所以，除保留接頭一兩個外，其余6個可減去方位OG和OH，圖4表示這種精簡接點(diǎn)方位后的接頭，記為接頭四、正八面體的配接可考慮幾套聯(lián)用。
以上接頭四又可用于表示碳原子，因而取黑色，接頭一也可兼作氧原子或氮原子，可另取一種顏色，如白色。
圖5是示意只有一個接點(diǎn)的輔助接頭，再取別色，如藍(lán)色。無論凹接或凸接，該接頭的接點(diǎn)均用透孔套接，孔徑以能稍緊地套入接桿為宜。這樣，既不影響它作為氫原子在分子模型中的配接，又可按需要套在任一接桿上，在配接數(shù)學(xué)“幾何體”模型時，成為幾何體棱(或曲邊)上可推動(但又不自由滑落)的小珠，起到將表示幾何體內(nèi)空間線段和截面的輔助構(gòu)件(如兩端帶有掛鉤的皮筋)在任意位置上定位的作用。
接頭一般可用略有彈性的材料制作，如高壓聚乙稀，使插接或套接時由擠壓摩擦增強(qiáng)連接牢度。
接桿的單位長視需要而定。作為學(xué)具或玩具，取35mm左右為合適。一般可用有彈性的塑料棒(或硬管)制作，也可取不同色彩。此時，桿直徑可取2mm，相應(yīng)的接頭三直徑取12mm，接頭五直徑取6mm即可。
作為中學(xué)生的學(xué)具，也可用φ1－φ1.2mm的銅絲或類似較細(xì)線材制作接桿，此時，接頭三的直徑可改小到10mm，接頭五的直徑只需4mm。其優(yōu)點(diǎn)在于配接成的模型外觀精巧，且成本降低。
另外，根據(jù)用途、制作、配接方便度的不同需要，也可將接頭所示的13種方位分解為幾種接頭使用。例如圖6表示將方位OM、ON、OP、OQ取出，形成一種簡易接頭六，可專用于分子模型的配接。
圖7表示在接頭一上減去上述四方位形成的另一種簡易接頭七；圖8表示在接頭四上減去上述四方位中的三個形成的再一種簡易接頭八，所剩的一個方位應(yīng)與OE、OF垂直；接頭七和接頭八可專用于數(shù)學(xué)“幾何體”模型的配接。
這幾種單科專用的簡易接頭，由于接點(diǎn)的簡化，特別是使用頻繁的接頭六與接頭八，無疑會使配接更加方便。
圖9－30表示22種常用幾何體的配接。圖中各連接點(diǎn)的角度連接符號表示該連點(diǎn)所需的方位組合，每個角度表示一個面角的度數(shù)。各邊旁的標(biāo)號表示所取接桿的規(guī)格，與圖2中所標(biāo)的一致，某一標(biāo)號后括弧內(nèi)另有標(biāo)號的，表示該邊可在這幾種規(guī)格中變動。
圖31－32表示將 1/4 園弧型接桿［4］稍加彎曲，示意雙鍵或三鍵連接碳原子的情況。
圖33以金剛石為例示意晶體結(jié)構(gòu)模型的配接。
圖34以插接式正四棱錐模型為例表示這種接頭與接桿連接時的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。球形接頭外的正方體框用以顯示所用接孔的方位。
由上可知，本實(shí)用新型由于采用了一種接點(diǎn)方位布置合理的多向接頭和相應(yīng)的輔件，使配接效率大大提高，整套配接件不僅種類單純，件數(shù)也得到精簡，僅8個接頭加上接桿等配件，就可交叉配接出二十多種數(shù)學(xué)幾何體模型，三十余種化學(xué)、生物學(xué)分子結(jié)構(gòu)模型和物理學(xué)晶體結(jié)構(gòu)模型，基本上滿足了起碼是中學(xué)理科各學(xué)科在這方面的教學(xué)需要。同時，整套用具小巧，便攜，配接時具有一定的智力趣味；對用材、制作、包裝、運(yùn)輸?shù)囊蠹俺杀揪邢喈?dāng)大幅度的降低，所以，特別適宜作為學(xué)生的學(xué)具和少兒的玩具。
權(quán)利要求
1.一種多向接頭配接式“立休結(jié)構(gòu)”教學(xué)用具。其特征在于具有多向接頭和接桿，插接或套接而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的教學(xué)用具，其特征在于所說的多向接頭中有一種接頭一具有13個插接孔或套接凸頭作為接點(diǎn)，其位置相當(dāng)于正方體下底面中心、四側(cè)棱的中點(diǎn)、上底面四邊的中點(diǎn)及不相鄰的四頂點(diǎn)，方向均指向正方體的中心；另一種接頭五留有一個通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的教學(xué)用具，其特征在于所說的接桿為長度比分別是123三種直棒或直管(1)、(2)、(3)，直徑長的比分別是23(比例單位同上)的兩種四分之一園弧管(4)、(5)；棒直徑或管內(nèi)徑與接頭一上的插孔或凸頭的直徑一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的教學(xué)用具，其特征在于多向接頭一上的接點(diǎn)又可分解在幾種接頭上其中接頭七是在多向接頭一上減去位于正方體不相鄰四頂點(diǎn)的接點(diǎn)，保留其他接點(diǎn)而得；接頭八是在多向接頭一上先減去位于正方體上底面四邊中點(diǎn)的四接點(diǎn)中相鄰的兩個，再減去位于正方體不相鄰四頂點(diǎn)的三個而得，第一次減剩的兩接點(diǎn)的方向與第二次減剩的一接點(diǎn)的方向相垂直；接頭七與接頭八可單用于數(shù)學(xué)“幾何體”模型的配接。
專利摘要
本實(shí)用新型提供了一種用接頭接桿連接的配接式“立體結(jié)構(gòu)”教學(xué)用具。其特點(diǎn)是設(shè)置了一種接點(diǎn)方位布置合理的多用途接頭。僅需8個這種接頭，加上接桿等少量附件，即可配接20余種“幾何體”和三十余種分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)模型，基本滿足了中等學(xué)校數(shù)、理、化各科在這方面的教學(xué)需要。而且使用時小巧、便攜，生產(chǎn)時對用材、制作、包裝、運(yùn)輸?shù)囊蠹俺杀揪喈?dāng)?shù)?，故特別適宜作為廣泛使用的學(xué)生個人學(xué)具和少兒啟蒙玩具。
文檔編號G09B23/00GK87208948SQ87208948
公開日1988年4月13日 申請日期1987年6月6日
發(fā)明者劉祖根 申請人:劉祖根導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan