CN109599014B - 一种物理教学的浮力实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理教学的浮力实验装置，属于实验器械领域。该装置包括：箱体，其包括隔板和分离板，箱体具有一上部开口的收纳室，隔板将收纳室分割为用于盛放低浓度溶液的第一收纳室和第二收纳室；连通装置，其包括摇杆、连接杆、连接绳和橡胶塞，摇杆可转动地设置在箱体上，连接杆的一端固定连接至摇杆，连接绳的一端连接至连接杆的另一端、连接绳的另一端连接至橡胶塞；橡胶塞和连接管的管口之间通过连接部相连接，连接部上开设有泄流孔。本发明无需对实验物进行更换即可实现浓度的逐渐变化，当浓度较低时，物体沉入底部，当浓度较高时，浮力增加，物体受到的浮力较大从而漂起，视觉效果好，利于直观感受。

Description

一种物理教学的浮力实验装置

技术领域

本发明涉及实验器械领域，特别涉及一种物理教学的浮力实验装置。

背景技术

物体的浮力定律，又称阿基米德定律，根据阿基米德原理，浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开液体所受重力，即F_浮＝G_液排＝ρ_液gV_排。其中V_排表示物体排开的液体的体积，它是物理学上的一个非常重要的定律，在教学中这个定律比较抽象，也是不易理解的，由于浮力和物体的体积、重力加速度和溶液的密度有关，而这些因素一般不好进行调节控制，在科学实验的过程中，一般遵循单一变量的原则，否则不容易判断具体是哪种因素导致的效果的变化，而现有技术中的浮力实验装置，由于对体积的变化只能通过替换实验物来实现体积的调节，而对于溶液密度的调节也通常是采用对比实验来体现，替换实验物的方式会导致认知上物体已经发生变化，浮力的变化可能是由于物体变化而导致的浮力变化，而溶液浓度的对比实验也不具有渐变性，视觉和理解上存在断差，导致可视性变差、教学效果不好，给学生认知带来误区。

发明内容

本发明提供一种物理教学的浮力实验装置，可以解决现有技术中的浮力实验装置存在不便进行单一影响因素的调节、可视性较差的问题。

一种物理教学的浮力实验装置，包括：

箱体，其包括隔板和分离板，所述箱体具有一上部开口的收纳室，所述隔板将所述收纳室分割为用于盛放低浓度溶液的第一收纳室和第二收纳室，所述分离板将所述第二收纳室分割为用于盛放高浓度溶液的第三收纳室和过渡室，所述过渡室位于所述第三收纳室下方，所述第一收纳室和所述第三收纳室之间通过一连通管相贯通；

连通装置，其包括摇杆、连接杆、连接绳和橡胶塞，所述摇杆可转动地设置在所述箱体上，所述连接杆的一端固定连接至所述摇杆，所述连接绳的一端连接至所述连接杆的另一端、所述连接绳的另一端连接至所述橡胶塞；所述橡胶塞用于封堵所述连接管的管口，所述橡胶塞和所述连接管的管口之间通过连接部相连接，所述连接部上开设有泄流孔，当所述橡胶塞位于所述连接管内时，封堵所述连接管，当所述橡胶塞脱离所述连接管时，所述泄流孔用于容纳高浓度溶液流至第一收纳室。

更优地，所述连通管连接所述第三收纳室的端部为上部直径较大、下部直径较小的倒圆锥台形结构，所述橡胶塞的底部呈下部直径较小、上部直径较大的正圆锥台形结构。

更优地，还包括棘轮、棘爪、驱动轴和搅拌叶片，所述驱动轴可转动地设置在所述箱体上，所述搅拌叶片和所述棘轮分别固定安装在所述驱动轴的两端，所述搅拌叶片位于所述第一收纳室内，所述棘爪铰接在所述摇杆上，用于驱动所述棘轮转动，所述棘轮转动时，带动所述搅拌叶片转动。

更优地，还包括浮力球，其包括球壳、驱动电机、驱动齿轮和扩容器，所述驱动电机固定设置在所述球壳内，所述驱动齿轮驱动安装在所述驱动电机的输出端，所述扩容器可滑动地设置在所述球壳内，所述扩容器上设置有与所述驱动齿轮相配合的齿条，所述驱动齿轮转动时，用于带动所述扩容器伸出或缩进所述球壳。

更优地，还包括控制装置，其包括电源、处理器、无线接收模块和用于与所述无线接收模块通信的无线发射模块，所述电源用于给所述处理器、所述无线接收模块和所述电机供电，所述电机和所述无线接收模块均信号连接至所述处理器。

更优地，所述球壳外表面涂覆有疏水涂层。

本发明提供一种物理教学的浮力实验装置，通过转动摇杆带动连接杆向上移动，连接杆通过连接绳拉起橡胶塞，高浓度液体通过泄流孔流入连通管进而流入第一收纳室，使得第一收纳室内的低浓度溶液和高浓度溶液混合从而提高第一收纳室内的溶液浓度，由于橡胶塞受到溶液压力会自动重新堵塞连通管，因此每次流入的高浓度溶液是少量且固定的，因此基本上可以看做第一收纳室内的溶液浓度的变化是线性的、渐变的，无需对实验物进行更换即可实现浓度的逐渐变化，当浓度较低时，物体沉入底部，当浓度较高时，浮力增加，物体受到的浮力较大从而漂起，视觉效果好，利于直观感受。

附图说明

图1为本发明提供的一种物理教学的浮力实验装置的结构示意图一；

图2为图1中B处局部放大图；

图3为图1中A-A剖视图；

图4为图1中C处向视图；

图5为本发明提供的一种物理教学的浮力实验装置的结构示意图二；

图6为图5中D处局部放大图；

图7为图1中浮力球的结构示意图；

图8为图7中E-E剖视图；

图9为图7的浮力球的系统原理图。

附图标记说明：

10、箱体，11、隔板，12、分离板，121、连通管，13、过渡室，20、摇杆，201、连接杆，21、棘爪，22、棘轮，23、驱动轴，24、搅拌叶片，25、连接绳，26、橡胶塞，261、连接部，2611、泄流孔，30、球壳，301、安装板，31、驱动电机，32、驱动齿轮，33、扩容器，331、齿条。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种物理教学的浮力实验装置，包括：

箱体10，如图1所示，其包括隔板11和分离板12，箱体10具有一上部开口的收纳室，隔板11将收纳室分割为用于盛放低浓度溶液的第一收纳室和第二收纳室，隔板11竖向设置在收纳室内，分离板12将第二收纳室分割为用于盛放高浓度溶液的第三收纳室和过渡室13，分离板12横向设置在第二收纳室内，过渡室13位于第三收纳室下方，第一收纳室和第三收纳室之间通过一连通管121相贯通，可以理解的是，为了使高浓度溶液可以自发流入第一收纳室内，高浓度溶液的液面尽量高于低浓度溶液的液面，以使两者之间产生压力差，其中，高浓度溶液和低浓度溶液可以为低浓度盐水和高浓度盐水；

连通装置，其包括摇杆20、连接杆201、连接绳25和橡胶塞26，摇杆20可转动地设置在箱体10上，在本实施例中，摇杆20设置在箱体10的外侧壁上，位于第二收纳室远离第一收纳室的一侧，连接杆201位于第二收纳室内，连接杆201的一端固定连接至摇杆20，连接绳25的一端连接至连接杆201，另一端连接至橡胶塞26，连接杆201向上移动时，通过连接绳25可以拉动橡胶塞26，以使橡胶塞26脱离连接管；橡胶塞26用于封堵连接管的管口，橡胶塞26和连接管的管口之间通过连接部261相连接，连接部261为薄的、质地脚软的橡胶板，连接部261上开设有泄流孔2611，如图2所示，正常情况下，橡胶塞26受到溶液的压力，封堵住连接管，此时溶液无法通过连接管进入第一收纳室，当连接杆201在摇杆20的带动下上扬，通过连接绳25拉动橡胶塞26，当橡胶塞26脱离连接管时，溶液通过泄流孔2611流至第一收纳室，高浓度的盐水和低浓度的盐水混合，使得第一收纳室内的溶液浓度升高。初始状态下，放置一事先计算或实验好的物体，确保在部分高浓度盐水进入第一收纳室后，可以在物体体积不变的情况下，使得由于溶液浓度升高从而使得物体所受浮力增大从而使物体上浮。在第一收纳室内溶液浓度较低的情况下，物体沉降在第一收纳室底部，当需要演示浓度变化带来的浮力变化时，压动摇杆20，在连接杆201的带动下，拉动连接绳25，使橡胶塞26脱离连通管121，让高浓度溶液进入第一收纳室，当第一收纳室的浓度大到浮力大于物体的重力时，即可使得物体上浮。

为了使橡胶塞26能够准确地在溶液压力下进入连通管121，连通管121连接第三收纳室的端部为上部直径较大、下部直径较小的倒圆锥台形结构，橡胶塞26的底部呈下部直径较小、上部直径较大的正圆锥台形结构，圆锥台形结构可以形成一定的导向性，使得橡胶塞26即使有所偏离也可以在液压作用下准确地封堵连通管121。

由于高浓度盐水进入第一收纳室后，并没有充分混合，局部液体浓度高，部分液体浓度低，实验效果不好，因此在本实施例中，如图1至图4所示，还包括棘轮22、棘爪21、驱动轴23和搅拌叶片24，驱动轴23可转动地设置在箱体10上，穿过第三收纳室的侧壁延伸至第一收纳室内，如图1所示，搅拌叶片24和棘轮22分别固定安装在驱动轴23的两端，搅拌叶片24位于第一收纳室内，棘爪21铰接在摇杆20上，用于驱动棘轮22转动，棘轮22转动时，带动搅拌叶片24转动。使用时，摇动摇杆20，摇杆20带动棘爪21运动，棘爪21驱动棘轮22转动，棘轮22转动时，通过驱动轴23带动搅拌叶片24转动，其中，驱动轴23与第一收纳室的侧壁之间采用动密封连接，搅拌叶片24转动时带动溶液混合，使得溶液浓度趋于平均，提高实验效果。

为了单一控制体积变化时所带来的浮力的变化，本实施例还包括浮力球，其包括球壳30、驱动电机31、驱动齿轮和扩容器33，球壳30可以为球形或其他形状，本实施例中，采用球形结构，如图8所示，在球壳30内设置有安装板301，驱动电机31固定设置在安装板301上，驱动齿轮驱动安装在驱动电机31的输出端，扩容器33可滑动地设置在球壳30内，扩容器33上设置有与驱动齿轮相配合的齿条331，如图7所示，扩容器33优选为两个，位于驱动齿轮的两侧，一个扩容器33上的齿条331位于驱动齿轮上方，一个扩容器33上的齿条331位于扩容器33的下方，驱动齿轮转动时，用于带动扩容器33伸出或缩进球壳30。当电机转动时，驱动齿轮带动驱动齿条331运动，使扩容器33伸出球壳30，此时浮力球的体积增大，在溶液浓度不便的情况下，当体积增大使得浮力增大，以便观察体积变化时对浮力所带来的影响。当然，驱动齿轮反向运动，又可以实现观察体积缩小时对浮力的影响。

为了方便实现对驱动齿轮转动和转动圈数的控制，还包括控制装置，其包括电源、处理器、无线接收模块和用于与无线接收模块通信的无线发射模块，电源用于给处理器、无线接收模块和电机供电，电机和无线接收模块均信号连接至处理器。通过控制按钮，借助无线发射模块通发送控制信号至无线接收模块，无线接收模块接收信号发送至处理器，处理器根据控制信号控制电机正转和反转，以控制浮力球体积的变大或缩小。

由于电机、电源和其他零部件导致浮力球重量较重，需要对第一收纳室的液体浓度有较高的要求才能使得浮力球体积增大时能够浮起，因此在球壳30外表面涂覆有疏水涂层，疏水涂层对液体有排斥作用，可以增大浮力。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种物理教学的浮力实验装置，其特征在于，包括：

箱体，其包括隔板和分离板，所述箱体具有一上部开口的收纳室，所述隔板将所述收纳室分割为用于盛放低浓度溶液的第一收纳室和第二收纳室，所述分离板将所述第二收纳室分割为用于盛放高浓度溶液的第三收纳室和过渡室，所述过渡室位于所述第三收纳室下方，所述第一收纳室和所述第三收纳室之间通过一连通管相贯通；

连通装置，其包括摇杆、连接杆、连接绳和橡胶塞，所述摇杆可转动地设置在所述箱体上，所述连接杆的一端固定连接至所述摇杆，所述连接绳的一端连接至所述连接杆的另一端、所述连接绳的另一端连接至所述橡胶塞；所述橡胶塞用于封堵所述连接管的管口，所述橡胶塞和所述连接管的管口之间通过连接部相连接，所述连接部上开设有泄流孔，当所述橡胶塞位于所述连接管内时，封堵所述连接管，当所述橡胶塞脱离所述连接管时，所述泄流孔用于容纳高浓度溶液流至第一收纳室；

还包括浮力球，其包括球壳、驱动电机、驱动齿轮和扩容器，所述驱动电机固定设置在所述球壳内，所述驱动齿轮驱动安装在所述驱动电机的输出端，所述扩容器可滑动地设置在所述球壳内，所述扩容器上设置有与所述驱动齿轮相配合的齿条，所述驱动齿轮转动时，用于带动所述扩容器伸出或缩进所述球壳。

2.如权利要求1所述的一种物理教学的浮力实验装置，其特征在于，所述连通管连接所述第三收纳室的端部为上部直径较大、下部直径较小的倒圆锥台形结构，所述橡胶塞的底部呈下部直径较小、上部直径较大的正圆锥台形结构。

3.如权利要求1所述的一种物理教学的浮力实验装置，其特征在于，还包括棘轮、棘爪、驱动轴和搅拌叶片，所述驱动轴可转动地设置在所述箱体上，所述搅拌叶片和所述棘轮分别固定安装在所述驱动轴的两端，所述搅拌叶片位于所述第一收纳室内，所述棘爪铰接在所述摇杆上，用于驱动所述棘轮转动，所述棘轮转动时，带动所述搅拌叶片转动。

4.如权利要求1所述的一种物理教学的浮力实验装置，其特征在于，还包括控制装置，其包括电源、处理器、无线接收模块和用于与所述无线接收模块通信的无线发射模块，所述电源用于给所述处理器、所述无线接收模块和所述电机供电，所述电机和所述无线接收模块均信号连接至所述处理器。

5.如权利要求1所述的一种物理教学的浮力实验装置，其特征在于，所述球壳外表面涂覆有疏水涂层。

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