CN107767744B - 物理教学用浮力演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了物理教学用浮力演示装置，属于物理实验仪器技术领域，其包括：槽体；支架；测量筒，其为长方体形，测量筒的四个侧壁上均设置有一个方形的开口，测量筒的顶部与支架的顶部固定连接；浮筒，其位于槽体内；连接杆，其顶部插入测量筒内；四个指示块，其与开口一一对应，且一个指示块对应连接杆的一个侧壁，指示块为凸字形，指示块的凸起部穿过与其对应的开口并和与其对应的连接杆的一个侧壁固定连接，指示块的其他部分位于开口中或位于测量筒外。本发明能通过电磁线圈使浮筒的重量改变，并在槽体的底部设置有第一磁铁和第二磁铁，通过第二磁铁带动第一磁铁移动，即可对槽体内的流体进行搅拌，进而改变流体的密度，操作简单，效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及物理实验仪器技术领域。更具体地说，本发明涉及一种物理教学用浮力演示装置。
背景技术
浮力指物体在流体(包括液体和气体)中，各表面受流体(液体和气体)压力的差(合力)。阿基米德定律是流体静力学的一个重要原理，它指出，浸入静止流体中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，方向垂直向上并通过所排开流体的形心。
在中学物理课程教学中，对浮力产生的原因和浮力的影响因素，以及阿基米德定律的理解是物理课程的重点和难点。因此教师在讲解时，一般会通过浮力实验来辅助教学。进行浮力实验时会采用浮力演示装置，以使学生直观地了解浮力产生的过程和浮力的影响因素，并对浮力大小进行测量。
但现有的浮力演示装置存在着老师或学生在演示时，需要手动调节浮子的重量，在调节流体的密度时，需要另外使用搅拌棒或搅拌装置等，造成流体损失，还需清洗搅拌棒或搅拌装置等，费时费力。
发明内容
本发明的目的是提供一种物理教学用浮力演示装置，其在浮筒内填充有磁流体，电磁线圈在脉冲电源发生器的作用下，产生变化的磁场，使浮筒内磁流体的比重发生变化，从而改变浮筒的重量，并在槽体的底部设置有第一磁铁和第二磁铁，通过第二磁铁带动第一磁铁移动，即可对槽体内的流体进行搅拌，进而改变流体的密度。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了物理教学用浮力演示装置，包括：
槽体，其上设置有出水口；
支架，其为倒L形，支架的一个末端与槽体的一个侧壁的顶部固定连接，另一个末端位于槽体的上方，支架的顶部水平；
测量筒，其为内部中空，且底部敞开的长方体形，测量筒沿竖直方向设置，且位于槽体的上方，所述测量筒的四个侧壁上均设置有一个方形的开口，开口的中心线和与其所在的测量筒的侧壁的中心线重合，测量筒的顶部与支架的顶部固定连接，测量筒上位于开口的两侧的部分均沿竖直方向设置有刻度；
浮筒，其位于所述槽体内；
连接杆，其为长方体形，且与测量筒同轴设置，连接杆的四个侧壁分别与测量筒的四个侧壁平行，连接杆的底部与浮筒固定连接，顶部穿过测量筒的底部后插入测量筒内，连接杆与测量筒不接触；
四个指示块，其与开口一一对应，且一个指示块对应连接杆的一个侧壁，指示块为凸字形，指示块的凸起部穿过与其对应的开口并和与其对应的连接杆的一个侧壁固定连接，指示块的其他部分位于开口中或位于测量筒外，指示块与测量筒不接触。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，所述浮筒为内部中空的长方体形，连接杆的底部与浮筒的底部的中央固定连接，浮筒内填充有磁流体；
所述物理教学用浮力演示装置还包括：
电磁线圈，其设置在所述槽体的外侧壁上，或设置在浮筒上，当电磁线圈设置在浮筒上时，电磁线圈上设置有封盖，封盖封住电磁线圈，但不能屏蔽电磁线圈；
脉冲电源发生器，其与电磁线圈连接；
控制器，其与脉冲电源发生器连接。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，所述槽体为长方体形，所述槽体的四个侧壁上分别设置有一根指示筒，指示筒为长方体形，指示筒的一个侧壁和与其对应的槽体的一个侧壁固定连接，所述指示筒与槽体的内部连通，指示筒上沿竖直方向设置有刻度。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，所述指示筒与槽体的内部连通的具体方式为：所述槽体上与四个指示筒连接的部分均间隔设置有多个通孔。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，所述槽体的底部间隔设置有多个凹槽，多个凹槽相互平行，每个凹槽均为长方体形，且每个凹槽中均插入有至少一块方形的第一磁铁，所述槽体的底部设置有一对支撑腿和一块第二磁铁，支撑腿间设置有一根第一导向杆，第一导向杆穿过第二磁铁，第一导向杆的两端分别与一对支撑腿固定连接，第二磁铁与各块第一磁铁相对，第二磁铁吸住各块第一磁铁。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，还包括：
多根第二导向杆，其与凹槽的数量相等，一个凹槽中设置有一根第二导向杆，第二导向杆和与其对应的凹槽平行，且穿过与其对应的凹槽的中部，第二导向杆的两端分别与槽体的内侧壁固定连接，第二导向杆穿过与其对应的凹槽中的各块第一磁铁。
优选的是，所述的物理教学用浮力演示装置中，所述开口的底部与测量筒的底部齐平。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在浮筒内填充有磁流体，电磁线圈在脉冲电源发生器的作用下，产生变化的磁场，使浮筒内磁流体的比重发生变化，从而改变浮筒的重量，进而改变浮筒、连接杆和指示块的整体的重力，可以演示漂浮、悬浮和沉底等状态，使学生理解物体的浮力和重力与物体在流体中的状态的关系。
本发明在槽体的底部设置有第一磁铁和第二磁铁，通过第二磁铁带动第一磁铁移动，即可对槽体内的流体进行搅拌，进而改变流体的密度，使学生理解流体的密度和物体的密度与物体在流体中的状态的关系。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的物理教学用浮力演示装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的指示块的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的槽体的俯视图；
图4是根据本发明一个实施例的凹槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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，并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。
如图1至图4所示，本发明提供物理教学用浮力演示装置，包括：
槽体100，其上设置有出水口；
支架110，其为倒L形，支架110的一个末端与槽体100的一个侧壁的顶部固定连接，另一个末端位于槽体100的上方，支架110的顶部水平；
测量筒120，其为内部中空，且底部敞开的长方体形，测量筒120沿竖直方向设置，且位于槽体100的上方，所述测量筒120的四个侧壁上均设置有一个方形的开口121，开口121的中心线和与其所在的测量筒120的侧壁的中心线重合，测量筒120的顶部与支架110的顶部固定连接，测量筒120上位于开口121的两侧的部分均沿竖直方向设置有刻度；
浮筒130，其位于所述槽体100内；
连接杆140，其为长方体形，且与测量筒120同轴设置，连接杆140的四个侧壁分别与测量筒120的四个侧壁平行，连接杆140的底部与浮筒130固定连接，顶部穿过测量筒120的底部后插入测量筒120内，连接杆140与测量筒120不接触，这样连接杆140与测量筒120间无摩擦力；
四个指示块150，其与开口121一一对应，且一个指示块150对应连接杆140的一个侧壁，指示块150为凸字形，指示块150的凸起部穿过与其对应的开口121并和与其对应的连接杆140的一个侧壁固定连接，指示块150的其他部分位于开口121中或位于测量筒120外，指示块150与测量筒120不接触，这样两者间无摩擦力。
本方案提供的物理教学用浮力演示装置，在使用时，向槽体100内倒入流体，当流体的密度小于浮筒130、连接杆140和指示块150的整体的平均密度时，浮筒130下沉；当流体的密度等于浮筒130、连接杆140和指示块150的整体的平均密度时，浮筒130、连接杆140和指示块150悬浮；当流体的密度大于连接杆140和指示块150的整体的平均密度时，浮筒130漂浮。当浮筒130漂浮时，继续向槽体100内加入流体，指示块150会上升，指示块150上升的高度通过测量筒120上的刻度进行显示，当槽体100的横截面均一时，测出槽体100内水位上升的高度后，会发现指示块150上升的高度与槽体100内水位上升的高度相同，说明浮筒130、连接杆140和指示块150所受到的浮力与水的深度无关。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，所述浮筒130为内部中空的长方体形，连接杆140的底部与浮筒130的底部的中央固定连接，浮筒130内填充有磁流体；
所述物理教学用浮力演示装置还包括：
电磁线圈160，其设置在所述槽体100的外侧壁上，或设置在浮筒130上，当电磁线圈160设置在浮筒130上时，电磁线圈160上设置有封盖170，封盖封住电磁线圈160，但不能屏蔽电磁线圈160，即防止电磁线圈160与槽体100内的流体直接接触，又能使磁流体受到电磁线圈160产生的磁场的作用；
脉冲电源发生器，其与电磁线圈160连接；
控制器，其与脉冲电源发生器连接。控制器控制脉冲电源发生器使电磁线圈160产生交变的磁场，使浮筒130内的磁流体的比重发生交替变化。
在上述方案中，向槽体100内倒入流体，使浮筒130漂浮，此时浮筒130(当电磁线圈160设置在浮筒130上时，电磁线圈160和封盖170属于浮筒130的一部分)、连接杆140和指示块150所受到的重力等于浮力。启动脉冲电源发生器，当磁场强度由零变大到峰值时，磁流体的比重不断增加，浮筒130、连接杆140和指示块150所受到的重力会大于浮力，浮筒130下沉。当磁场强度由峰值变为零时，磁流体的比重不断减小，浮筒130、连接杆140和指示块150所受到的重力又会慢慢小于浮力，浮筒130上浮。以此演示浮筒130的漂浮，悬浮，下沉，上浮，再到漂浮的过程。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，所述槽体100为长方体形，所述槽体100的四个侧壁上分别设置有一根指示筒101，指示筒101为长方体形，指示筒101的一个侧壁和与其对应的槽体100的一个侧壁固定连接，所述指示筒101与槽体100的内部连通，指示筒101上沿竖直方向设置有刻度。
在上述方案中，当浮筒130漂浮时，继续向槽体100内加入流体，指示块150会上升，指示块150上升的高度通过测量筒120上的刻度进行显示，通过指示筒101上的刻度测出槽体100内水位上升的高度后，会发现指示块150上升的高度与槽体100内水位上升的高度相同，说明浮筒130、连接杆140和指示块150所受到的浮力与水的深度无关。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，所述指示筒101与槽体100的内部连通的具体方式为：所述槽体100上与四个指示筒101连接的部分均间隔设置有多个通孔。
在上述方案中，通过设置通孔，使槽体100与指示筒101形成连通器，无需另外设置管道。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，所述槽体100的底部间隔设置有多个凹槽102，多个凹槽102相互平行，每个凹槽102均为长方体形，且每个凹槽102中均插入有至少一块方形的第一磁铁180，当一个凹槽102中的第一磁铁180有多块时，多块第一磁铁180沿与其对应的凹槽102的长度方向间隔设置，所述槽体100的底部设置有一对支撑腿和一块第二磁铁190，支撑腿间设置有一根第一导向杆200，第一导向杆200穿过第二磁铁190，第一导向杆200的两端分别与一对支撑腿固定连接，第二磁铁190与各块第一磁铁180相对，第二磁铁190吸住各块第一磁铁180。
在上述方案中，当某种流体中需要加入其它流体或固体以调节流体的密度时，将其它流体或固体导入槽体100内后，移动第二磁铁190，第二磁铁190会带动第一磁铁180移动，第一磁铁180在移动过程中能对流体进行搅拌，使流体与加入的物质混合均匀，这样无需设置其他搅拌装置。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，还包括：
多根第二导向杆210，其与凹槽102的数量相等，一个凹槽102中设置有一根第二导向杆210，第二导向杆210和与其对应的凹槽102平行，且穿过与其对应的凹槽102的中部，第二导向杆210的两端分别与槽体100的内侧壁固定连接，第二导向杆210穿过与其对应的凹槽102中的各块第一磁铁180。
在上述方案中，在第二磁铁190带动第一磁铁180移动时，能使第一磁铁180始终位于凹槽102中。
一个优选方案中，所述物理教学用浮力演示装置中，所述开口121的底部与测量筒120的底部齐平。
在上述方案中，这样能演示浮筒130、连接杆140和指示块150下沉的状态。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.物理教学用浮力演示装置，其特征在于，包括：
槽体，其上设置有出水口；所述槽体的底部间隔设置有多个凹槽，多个凹槽相互平行，每个凹槽均为长方体形，且每个凹槽中均插入有至少一块方形的第一磁铁，所述槽体的底部设置有一对支撑腿和一块第二磁铁，支撑腿间设置有一根第一导向杆，第一导向杆穿过第二磁铁，第一导向杆的两端分别与一对支撑腿固定连接，第二磁铁与各块第一磁铁相对，第二磁铁吸住各块第一磁铁；
支架，其为倒L形，支架的一个末端与槽体的一个侧壁的顶部固定连接，另一个末端位于槽体的上方，支架的顶部水平；
测量筒，其为内部中空，且底部敞开的长方体形，测量筒沿竖直方向设置，且位于槽体的上方，所述测量筒的四个侧壁上均设置有一个方形的开口，开口的中心线和与其所在的测量筒的侧壁的中心线重合，测量筒的顶部与支架的顶部固定连接，测量筒上位于开口的两侧的部分均沿竖直方向设置有刻度；
浮筒，其位于所述槽体内；
连接杆，其为长方体形，且与测量筒同轴设置，连接杆的四个侧壁分别与测量筒的四个侧壁平行，连接杆的底部与浮筒固定连接，顶部穿过测量筒的底部后插入测量筒内，连接杆与测量筒不接触；
四个指示块，其与开口一一对应，且一个指示块对应连接杆的一个侧壁，指示块为凸字形，指示块的凸起部穿过与其对应的开口并和与其对应的连接杆的一个侧壁固定连接，指示块的其他部分位于开口中或位于测量筒外，指示块与测量筒不接触；
多根第二导向杆，其与凹槽的数量相等，一个凹槽中设置有一根第二导向杆，第二导向杆和与其对应的凹槽平行，且穿过与其对应的凹槽的中部，第二导向杆的两端分别与槽体的内侧壁固定连接，第二导向杆穿过与其对应的凹槽中的各块第一磁铁。
2.如权利要求1所述的物理教学用浮力演示装置，其特征在于，所述浮筒为内部中空的长方体形，连接杆的底部与浮筒的底部的中央固定连接，浮筒内填充有磁流体；
所述物理教学用浮力演示装置还包括：
电磁线圈，其设置在所述槽体的外侧壁上，或设置在浮筒上，当电磁线圈设置在浮筒上时，电磁线圈上设置有封盖，封盖封住电磁线圈；
脉冲电源发生器，其与电磁线圈连接；
控制器，其与脉冲电源发生器连接。
3.如权利要求1所述的物理教学用浮力演示装置，其特征在于，所述槽体为长方体形，所述槽体的四个侧壁上分别设置有一根指示筒，指示筒为长方体形，指示筒的一个侧壁和与其对应的槽体的一个侧壁固定连接，所述指示筒与槽体的内部连通，指示筒上沿竖直方向设置有刻度。
4.如权利要求3所述的物理教学用浮力演示装置，其特征在于，所述指示筒与槽体的内部连通的具体方式为：所述槽体上与四个指示筒连接的部分均间隔设置有多个通孔。
5.如权利要求1所述的物理教学用浮力演示装置，其特征在于，所述开口的底部与测量筒的底部齐平。
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