CN107195233B - 阿基米德定律快速演示仪 - Google Patents

Abstract

阿基米德定律快速演示仪，涉及教学仪器设备技术领域，其包括支架、溢水杯、重物、筒状结构的接水容器、一根带指针的弹簧以及用于标记指针位置的标记物；支架包括立杆、横杆以及设于横杆下方的托圈，横杆及托圈连接于立杆，托圈的高度上下可调；弹簧的上端连接横杆，重物设于接水容器内腔中，重物和接水容器均悬吊于弹簧下端，托圈托住溢水杯，接水容器底端封闭且其壳体侧壁上开设缺口，溢水杯及托圈可经缺口放入接水容器内腔中并置于重物的正下方。该阿基米德定律快速演示仪结构紧凑且能直观揭示浮力原理，用该阿基米德定律快速演示仪进行实验教学可以省去演示操作后数值计算的步骤，使得整个实验过程更简短快速，教学效率更高。

Description

阿基米德定律快速演示仪

技术领域

本发明涉及教学仪器设备技术领域，特别涉及一种阿基米德定律快速演示仪。

背景技术

阿基米德定律是初中物理教学中非常重要的一个知识点。目前，日常教学中用到的浮力原理演示装置大多与文献“CN205645042U”中的结构类似，都是在两个铁架台的横杆上分别吊设第一弹簧测力计和第二弹簧测力计，在第一弹簧测力计的下方悬吊一个重物，在第二弹簧测力计的下方悬吊一个接水容器，在重物的下方台面上再放置一个带溢水孔的盛水容器。

教师在用上述装置进行课堂演示实验时，至少需要带领学生完成以下两大步骤。

1、演示操作：实验开始前，先记录下两个弹簧测力计所测得的初始数值，再将重物逐渐浸入盛水容器的水中，受水的浮力作用，在此过程中第一弹簧测力计测得的数值逐渐变小，重物排开的水从溢水孔排出并被接水容器接住，第二弹簧测力计测得的数值逐渐变大，当重物受水的浮力作用呈漂浮状态且溢水孔无水排出时，演示过程结束，并记录下两个弹簧测力计在此时所测得的数值（最终数值）。

2、数值计算：分别计算出第一弹簧测力计和第二弹簧测力计在演示开始和演示结束两个时间点测得数值的变化量，然后对比两个数值变化量的计算结果，若上述两个数值变化量非常接近（若两个数值变化量差别较大，则表示实验失败，需重头开始），考虑到实验误差的存在，可以认为第一弹簧测力计对应的数值变化量与第二弹簧测力计所对应的数值变化量相等，即重物所受浮力等于其所排开液体的重力。

通过以上描述可知，当前的浮力原理演示装置存在以下缺点：1、整体结构不够紧凑。2、原理揭示不够直观。3、演示操作开始前和结束后都需要记录两个弹簧测力计测得的数值，还需要根据测得的数据来计算、比对浮力与排开液体的重力大小，步骤繁复，耗时较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、实验过程简短且能直观揭示浮力原理的阿基米德定律快速演示仪。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种阿基米德定律快速演示仪，包括支架、溢水杯、重物、筒状结构的接水容器、一根带指针的弹簧以及用于标记所述指针位置的标记物；

所述支架包括立杆、横杆以及设于所述横杆下方的托圈，所述横杆及托圈连接于立杆，所述托圈的高度上下可调；

所述弹簧的上端连接横杆，所述重物设于接水容器内腔中，所述重物和接水容器均悬吊于弹簧下端，所述托圈托住溢水杯，所述接水容器底端封闭且其壳体侧壁上开设缺口，所述溢水杯及托圈可经缺口放入接水容器内腔中并置于重物的正下方。

其中，所述标记物为与弹簧匹配、用来示出弹簧下端拉力值的刻度盘或刻度尺。

或者，所述标记物为一根水平设置的直杆，所述直杆通过一个十字夹头连接于立杆，所述直杆的高度上下可调。

进一步，所述溢水杯的溢水孔连接一根软胶管，所述软胶管通过一个夹子控制其排水管路通断。

或者，所述溢水杯的溢水孔连接一根软胶管，所述软胶管的排水端口处设有一个可拔出的塞子。

优选的，所述立杆攻丝并连接一个丝母，所述立杆上套设有一个连接头，所述托圈上连接有一根水平设置的支杆，所述支杆通过连接头与立杆连接，所述丝母位于连接头下方，所述连接头上设有导向平键，所述立杆上竖直开设有与导向平键相匹配的导向键槽，旋动所述丝母可推着连接头往上移动，从而调整所述托圈的高度。

进一步，所述立杆上还套设有一个平面轴承，所述平面轴承设于丝母与连接头之间，所述平面轴承的上平面垫圈抵靠住连接头、下平面垫圈抵靠住丝母。

作为一种优选的实施方案，所述重物包括一个透明塑料材质的1号矿泉水瓶，所述1号矿泉水瓶内盛装有食盐水且其瓶口通过1号瓶盖密封。

其中，所述接水容器为一个透明塑料材质的2号矿泉水瓶，所述2号矿泉水瓶的侧壁上被挖除一块，从而形成所述缺口，所述2号矿泉水瓶的瓶口通过2号瓶盖盖住。

进一步，所述1号瓶盖位于2号瓶盖下方并通过第一绳线与2号瓶盖连接，所述2号瓶盖再通过第二绳线连接弹簧的下端。

本发明提供的阿基米德定律快速演示仪可采用以下方式进行演示操作： 首先在溢水杯中装入水，使溢水杯中液面与溢水孔平齐，再用托圈托住溢水杯并将其从接水容器侧壁的缺口放入接水容器内腔中，同时保证溢水杯处在重物的正下方，接着利用标记物标记下指针当前所在的位置，然后沿立杆往上移动托圈和溢水杯（调高托圈高度），使重物浸入溢水杯的水中处于悬浮状态，此时弹簧回缩，指针往上移动，与此同时，被重物排开的水逐渐从溢水孔流出，并被接水容器接住，由于接水容器和重物一起悬吊于弹簧下端，随着接水容器中接住的水逐渐增多，指针逐渐往下移动，当溢水孔排水结束后，指针回到初始状态时标记物所标记的位置（需要说明的是，在上述操作过程中，重物浸入溢水杯中排开水的速度最好远大于水从溢水孔流出的速度，否则指针往上移动的幅度非常有限，不便于学生观察和理解）。

下面再对上述演示过程进行受力分析：重物浸入水中以后，指针往上移动，说明此时弹簧所受往下的拉力变小，也就是说一个与重力方向相反的力作用在重物上（即水的浮力），溢水孔排水结束后，从溢水孔流出的水都被接水容器接住，指针往下回到初始位置是因接水容器中水的重力间接作用于弹簧下端所致，也就是说此时接水容器中水的重力与水对重物的浮力平衡，即浸入水中的重物所受浮力方向与其重力方向相反（或者说浮力方向垂直向上），浮力大小等于其排开的水的重力。

本发明的有益效果在于：首先，在本发明所涉阿基米德定律快速演示仪中，重物、托圈及溢水杯均放置于接水容器的内腔中，且其仅用到一个支架、一根弹簧（现有技术均采用两个弹簧测力计），故其较现有浮力原理演示装置在结构上更紧凑、整体体积也更小。其次，在用本发明进行实验演示操作的过程中，同一个指针先往上、再往下移动的过程能够更加直观地揭示浮力产生的原理，并且无需通过计算就可让学生清楚地知道浮力方向垂直向上且其大小与排开水的重力相等。此外，在将本发明用于课堂教学时可以省去演示操作后数值计算的步骤，使得整个实验过程更简短快速，教学效率更高。

附图说明

图1为用实施例1中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在初始阶段时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图2为用实施例1中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在中间阶段时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图3为用实施例1中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在结束阶段时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图4为用实施例2中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在阶段一时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图5为用实施例2中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在阶段二时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图6为用实施例2中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在阶段三时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图7为用实施例2中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在阶段四时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图8为用实施例2中的阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作，在阶段五时，该阿基米德定律快速演示仪的状态示意图；

图9为图1中A部位的局部放大图；

图10为图2中A部位的局部放大图；

图11为图3中A部位的局部放大图；

图12为图4中A部位的局部放大图；

图13为图5中A部位的局部放大图；

图14为图6中A部位的局部放大图；

图15为图7中A部位的局部放大图；

图16为图8中A部位的局部放大图；

图中：

1——支架 2——溢水杯 3——重物

4——接水容器 5——弹簧 6——标记物

7——连接头 8——平面轴承 9——1号瓶盖

10——2号瓶盖 11——第一绳线 12——第二绳线

13——丝母 1a——立杆 1b——横杆

1c——托圈 2a——软胶管 4a——缺口

1a1——导向键槽 1c1——支杆。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

需要提前说明的是，本发明的2个实施例都是基于以下基础方案，该基础方案的结构可以参考图1-8中任意一幅，在图1-8中，本发明所涉阿基米德定律快速演示仪均包括支架1、溢水杯2、重物3、筒状结构的接水容器4、一根带指针的弹簧5以及用于标记指针位置的标记物6，溢水杯2的侧壁上开设有溢水孔；

支架1包括立杆1a、横杆1b以及设于横杆1b下方的托圈1c，横杆1b及托圈1c连接于立杆1a，托圈1c的高度上下可调；

弹簧5的上端连接横杆1b，重物3设于接水容器4内腔中，重物3和接水容器4均悬吊于弹簧5下端，托圈1c托住溢水杯2，接水容器4底端封闭且其壳体侧壁上开设缺口4a，溢水杯2及托圈1c可经缺口4a放入接水容器4内腔中并置于重物3的正下方。

实施例1

本实施例所涉阿基米德定律快速演示仪的结构参考图1-3所示，为简化表述，本实施例中与基础方案相同的内容略去，不再赘述。

本实施例与基础方案的不同之处主要包括：标记物6采用了一根水平设置的直杆，该直杆通过一个十字夹头连接于立杆1a，直杆的高度上下可调。 对于只需验证浮力方向与重力方向相反且其大小与排开液体重力相等的实验（无需知道浮力的具体值），标记物6采用可上下调整的直杆即可，这样最大程度地简化了标记物6的结构，同时也更便于学生观察。

在本实施例中，立杆1a上攻丝并连接有一个丝母13，立杆1a上还套设有一个连接头7，托圈1c上连接有一根水平设置的支杆1c1，支杆1c1通过连接头7与立杆1a连接，丝母13位于连接头7下方，连接头7上设有导向平键，在立杆1a上竖直开设有与导向平键相匹配的导向键槽1a1，旋动丝母13可推着连接头7往上移动，从而实现调整托圈1c的高度。通过旋动丝母13推着连接头7往上移动，进而带着托圈1c及其托住的溢水杯2往上移动，这样的设计可以让托圈1c及溢水杯2往上移动过程更平稳，避免溢水杯2中的水因移动过程抖动而洒出的情况。

进一步地，在立杆1a上还套设有一个平面轴承8，平面轴承8设于丝母13与连接头7之间，平面轴承8的上平面垫圈抵靠住连接头7、下平面垫圈抵靠住丝母13。在丝母13与连接头7之间设置平面轴承8的目的在于降低丝母13与连接头7之间的摩擦力，使得丝母13转动更顺畅。

需要说明的是，为简化表述，前述立杆1a上的攻丝结构、丝母13及平面轴承8均未在附图1-3中示出，上述部件的具体结构及其相互之间的位置连接关系可以参考实施例2中的附图4-8所示。

作为一种优选的实施方案，前述重物3包括一个透明塑料材质的1号矿泉水瓶， 1号矿泉水瓶内盛装有食盐水且其瓶口通过1号瓶盖9密封。接水容器4为一个透明塑料材质的2号矿泉水瓶，在2号矿泉水瓶的侧壁上挖除一块，从而形成缺口4a， 2号矿泉水瓶的瓶口通过2号瓶盖10盖住。1号瓶盖9位于2号瓶盖10下方并通过第一绳线11与2号瓶盖10连接，2号瓶盖10再通过第二绳线12连接弹簧5的下端。在该优选方案中，重物3为内部盛装食盐水的1号矿泉水瓶、接水容器4为透明塑料材质的2号矿泉水瓶，这样设计的好处有：1、食盐水容易获得。2、盛装食盐水的1号矿泉水瓶平均密度比清水略高，这样可以让1号矿泉水瓶浸入水中的排水体积较大，能够让指针往上移动幅度更大，更便于观察。3、透明矿泉水瓶易于获得，并且其材质透明，可以让1号矿泉水瓶浸入溢水杯2中、溢水杯2排水的过程都直观可见。

图1-3和图9-11示出了用本实施例中的阿基米德定律快速演示仪进行演示操作的过程，为便于表述，将演示操作过程分为初始阶段、中间阶段及结束阶段，下面分别对上述三个阶段作具体描述。

初始阶段：阿基米德定律快速演示仪在初始阶段的状态见图1所示，在初始阶段，溢水杯2处于重物3的下方，溢水杯2中的水位面与溢水孔平齐，从图9可以看出，此时指针处在与直杆（标记物6）平齐的位置。

中间阶段：见图2所示，旋动丝母13推着溢水杯2往上移动，使得重物3浸入溢水杯2的水中，溢水杯2中液面升高，重物3排开的水从溢水杯2侧壁上的溢水孔流出，并被接水容器4接住，弹簧回缩，指针往上移动，从图10可以看出，此时指针已移动至直杆的上方。

结束阶段：随着溢水孔排水的持续，重物3排开的水全部从溢水孔流至接水容器4中，随着接水容器4中水量增多，弹簧5所受往下的拉力变大，弹簧5伸长，指针往下移动。参见图3，排水结束后，溢水杯2中液面再度与溢水孔平齐，结合图11可以看出，此时指针再度回到与直杆平齐的位置。

分析上述三个阶段重物3的受力情况可知：重物3浸入水中以后，指针往上移动，说明此时弹簧5所受往下的拉力变小，也就是说一个与重力方向相反的力作用在重物3上（即水的浮力），溢水孔排水结束后，从溢水孔流出的水都被接水容器4接住，指针往下回到初始位置是因接水容器4中水的重力间接作用于弹簧5下端所致，也就是说此时接水容器4中水的重力与水对重物3的浮力平衡，即浸入水中的重物3所受浮力方向与其重力方向相反（或者说浮力方向垂直向上），浮力大小等于其排开的水的重力。

综上所述，在本实施例的阿基米德定律快速演示仪中，重物3、托圈1c及溢水杯2均放置于接水容器4的内腔中，且其仅用到一个支架1、一根弹簧5（现有技术均采用两个弹簧测力计），故其较现有浮力原理演示装置在结构上更紧凑、整体体积也更小。更加重要的是，在用本实施例所涉阿基米德定律快速演示仪进行实验演示操作的过程中，同一个指针先往上、再往下移动的过程能够更加直观地揭示浮力产生的原理，并且无需通过计算就可让学生清楚地知道浮力方向垂直向上且其大小与排开水的重力相等。此外，在将上述阿基米德定律快速演示仪用于课堂教学时可以省去演示操作后数值计算的步骤，从而使得整个实验过程更简短快速，教学效率更高。

实施例2

参见图4-8，实施例2与实施例1的差别主要在于：1、标记物6为与弹簧5匹配、用来示出弹簧5下端拉力值的刻度盘或刻度尺（为简化表述，图4-8中并未示出该刻度盘或刻度尺，而是与图1-3一样用一根直杆表示标记物6，本领域技术人员应当明白，当采用刻度盘或刻度尺作为标记物6后，直杆就不需要了）。2、在溢水杯2的溢水孔处连接一根软胶管2a，软胶管2a通过一个夹子（该夹子在附图中未示出）控制其排水管路通断，或者在软胶管2a的排水端口处设有一个可拔出的塞子。

下面介绍用本实施例中的阿基米德定律快速演示仪进行演示操作的过程，为方便表述，将演示操作过程分为5个阶段来进行说明。

阶段一：见图4所示，溢水杯2处于重物3的下方，溢水杯2中的水位面与溢水孔平齐，从图12可以看出，指针处在“0”刻度位置。实际上，在图12中，指针处于与直杆平齐的位置，但为便于理解，在本实施例的所有描述中均将直杆看成是刻度盘或刻度尺的“0”刻度位置。

阶段二：见图5所示，旋动丝母13推着溢水杯2往上移动，使得重物3逐渐浸入溢水杯2的水中，溢水杯2中液面升高至溢水孔上方，弹簧回缩，指针往上移动，从图13可以看出，此时指针已移动至“0”刻度的上方。

阶段三：见图6所示，继续旋动丝母13推着溢水杯2往上移动，使得重物3继续浸入水中并处于悬浮状态，此时溢水杯2中液面在阶段二的基础上再次升高，达到整个演示过程的最高点，弹簧回缩，指针往上移动到整个演示过程的最高点，从图14可以看出，本阶段指针距离“0”刻度的距离相比阶段二时更远。当前指针所指的刻度值即为水对重物的浮力值。

阶段四：松开夹住软胶管2a的夹子，或者拔出软胶管2a的排水端口处的塞子，见图7所示，重物3排开的水开始从软胶管2a排出至接水容器4中，液面逐渐下降，结合图15可知，随着液面下降，弹簧5逐渐被拉伸，指针往下移动。

阶段五：随着排水过程的持续，重物3排开的水全部从软胶管2a流至接水容器4中，随着接水容器4中水量增多，弹簧5所受往下的拉力变大，弹簧5不断伸长，指针往下移动。参见图8，排水结束后，溢水杯2中液面再度与溢水孔平齐，结合图16可以看出，此时指针再度回到与“0”刻度的位置。

在上述五个阶段中，重物3的受力情况与实施例1类似，不再赘述，需要强调的是，在本实施例中，通过将实施例1中的直杆（标记物6）更换成刻度盘或刻度尺，同时在溢水孔出连接一根软胶管2a，并设置控制软胶管2a排水的夹子或塞子后，该阿基米德定律快速演示仪可以在实验过程中直接读出浮力的大小（实施例1只能知道浮力大小等于重物3排开水的重力，不能确定的得到浮力的具体数值），而无需再去计算浮力的具体数值。

最后，需要强调的是，在本发明中，标记物6并不限于上述两个实施例中采用的结构，例如其还可以是通过一根绳子悬吊在横杆1b下方的铅坠，用铅坠的最底端也可以标记出指针的位置。本领域技术人员应当明白，只要其能够实现发明目的，实际应用时完全可以根据具体的实验条件进行选择。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims (6)

1.阿基米德定律快速演示仪，包括支架（1）、溢水杯（2）、重物（3）、筒状结构的接水容器（4）、一根带指针的弹簧（5）以及用于标记所述指针位置的标记物（6），所述溢水杯（2）的侧壁上开设有溢水孔；

所述支架（1）包括立杆（1a）、横杆（1b）以及设于所述横杆（1b）下方的托圈（1c），所述横杆（1b）及托圈（1c）连接于立杆（1a），所述托圈（1c）的高度上下可调；

所述弹簧（5）的上端连接横杆（1b），所述重物（3）设于接水容器（4）内腔中，所述重物（3）和接水容器（4）均悬吊于弹簧（5）下端，所述托圈（1c）托住溢水杯（2），所述接水容器（4）底端封闭且其壳体侧壁上开设缺口（4a），所述溢水杯（2）及托圈（1c）可经缺口（4a）放入接水容器（4）内腔中并置于重物（3）的正下方；

所述标记物（6）为与弹簧（5）匹配、用来示出弹簧（5）下端拉力值的刻度盘或刻度尺；或者，所述标记物（6）为一根水平设置的直杆，所述直杆通过一个十字夹头连接于立杆（1a），所述直杆的高度上下可调；

所述立杆（1a）攻丝并连接一个丝母（13），所述立杆（1a）上套设有一个连接头（7），所述托圈（1c）上连接有一根水平设置的支杆（1c1），所述支杆（1c1）通过连接头（7）与立杆（1a）连接，所述丝母（13）位于连接头（7）下方，所述连接头（7）上设有导向平键，所述立杆（1a）上竖直开设有与导向平键相匹配的导向键槽（1a1），旋动所述丝母（13）可推着连接头（7）往上移动，从而调整所述托圈（1c）的高度；

所述立杆（1a）上还套设有一个平面轴承（8），所述平面轴承（8）设于丝母（13）与连接头（7）之间，所述平面轴承（8）的上平面垫圈抵靠住连接头（7）、下平面垫圈抵靠住丝母（13）。

2.根据权利要求1所述的阿基米德定律快速演示仪，其特征在于：所述溢水杯（2）的溢水孔连接一根软胶管（2a），所述软胶管（2a）通过一个夹子控制其排水管路通断。

3.根据权利要求1所述的阿基米德定律快速演示仪，其特征在于：所述溢水杯（2）的溢水孔连接一根软胶管（2a），所述软胶管（2a）的排水端口处设有一个可拔出的塞子。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的阿基米德定律快速演示仪，其特征在于：所述重物（3）包括一个透明塑料材质的1号矿泉水瓶，所述1号矿泉水瓶内盛装有食盐水且其瓶口通过1号瓶盖（9）密封。

5.根据权利要求4所述的阿基米德定律快速演示仪，其特征在于：所述接水容器（4）为一个透明塑料材质的2号矿泉水瓶，所述2号矿泉水瓶的侧壁上被挖除一块，从而形成所述缺口（4a），所述2号矿泉水瓶的瓶口通过2号瓶盖（10）盖住。

6.根据权利要求5所述的阿基米德定律快速演示仪，其特征在于：所述1号瓶盖（9）位于2号瓶盖（10）下方并通过第一绳线（11）与2号瓶盖（10）连接，所述2号瓶盖（10）再通过第二绳线（12）连接弹簧（5）的下端。

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