CN209928748U - 一种物理学习浮力实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种物理学习浮力实验装置，包括水槽，所述水槽的内底面上固定有支架，所述支架的顶部嵌装有水杯，所述水杯的内部底面上固定有电子拉力计，所述电子拉力计的受力端连接有柔性细绳，所述柔性细绳的另一端连接有浮块，所述水槽的内壁顶部固定有环形的托架，所述托架上放置有环形的量水槽，所述水杯位于托架和量水槽的内部，所述水槽的外壁上分别设置有微型水泵、控制显示面板和电源，所述微型水泵的进水端与水槽的内部底端连通、出水端通过水管与量水槽的内部连通。本实用新型通过两种方式验证物体浮起的条件，使实验者可直观感受浮力的产生及变化过程，极大提升了学生的学习兴趣、提高了实验教学的质量。

Description

一种物理学习浮力实验装置

技术领域

本实用新型涉及教学实验仪器技术领域，尤其涉及一种物理学习浮力实验装置。

背景技术

在中学物理课程的教学过程中，会涉及诸如浮力、压强、弹力等力学知识，也会有相应的演示实验，传统的浮力实验装置都是针对既有定律而进行的单向验证实现，在浮力验证试验中，通常是采用在盛满水的烧杯中放入质量一定的浮块，通过量筒收集浮块排出的水体，根据排出水体的体积计算对应的重量，从而验证物体所受浮力大小等于其排开液体重量这一既有定律。而此实验过程只是单纯为了验证结论而进行的实验，比较枯燥乏味，实验教学效果较差，学生在实验过程中，无法直观感受浮力产生和变化的过程、物体发生浮起的条件等内在的知识，不能很好的激发学生的学习兴趣和探索实验的主动性。为此我们设计一种物理学习浮力实验装置，用来解决上述问题。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种物理学习浮力实验装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种物理学习浮力实验装置，包括水槽，所述水槽的内底面上固定有支架，所述支架的顶部嵌装有水杯，所述水杯的内部底面上固定有电子拉力计，所述电子拉力计的受力端连接有柔性细绳，所述柔性细绳的另一端连接有浮块，所述水槽的内壁顶部固定有环形的托架，所述托架上放置有环形的量水槽，所述水杯位于托架和量水槽的内部，水杯的侧壁顶部开设有位于托架下方的溢流孔，所述水槽的外壁上分别设置有微型水泵、控制显示面板和电源，所述微型水泵的进水端与水槽的内部底端连通、出水端通过水管与量水槽的内部连通，所述电子拉力计、微型水泵、控制显示面板分别与电源电性连接，电子拉力计、微型水泵分别与控制显示面板电性连接。

优选的，所述浮块为轻质材料制成的立方体空心槽结构，其顶部设置有密封盖。

优选的，所述浮块的槽底设置有磁性垫板，磁性垫板上吸附有砝码。

优选的，所述浮块的外壁上设置有刻度线，刻度线的起始位置位于浮块的底面边缘。

优选的，所述水杯的内壁顶部设置有第一电磁阀，第一电磁阀的阀门端口与量水槽的内部底端连通，第一电磁阀与控制显示面板电性连接。

优选的，所述水杯的外壁底部设置有第二电磁阀，第二电磁阀的阀门端口与水杯的内部底端连通，第二电磁阀与控制显示面板电性连接。

优选的，所述托架的边缘处开设有若干个漏水孔，漏水孔位于量水槽外侧壁的外部。

优选的，所述托架为镂空的网板结构。

优选的，所述量水槽的外侧壁顶部开设有不同高度的若干个定容溢流孔，每个定容溢流孔上设置有塞子。

本实用新型提出的一种物理学习浮力实验装置，其有效益效果是：本实用新型通过微型水泵和电磁阀，实现水体两种模式的自动供给，通过正向和逆向两种方式验证物体浮起的条件，即浮力大小与排开水体重量的大小关系，使实验者可直观感受浮力的产生及变化过程，在实验验证物理定律的过程中，极大提升了学生的学习兴趣、提高了实验教学的质量。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1水槽、2支架、3水杯、4电子拉力计、5柔性细绳、6浮块、7托架、8量水槽、9微型水泵、10水管、11密封盖、12磁性垫板、13砝码、14第一电磁阀、15第二电磁阀、16控制显示面板、17电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种物理学习浮力实验装置，包括水槽1，水槽1的内底面上固定有支架2，支架2的顶部嵌装有水杯3，水杯3的内部底面上固定有电子拉力计4，电子拉力计4的受力端连接有柔性细绳5，柔性细绳5的另一端连接有浮块6。本实施例中，浮块6为轻质材料制成的立方体空心槽结构，浮块6的各边长固定不变，其顶部设置有密封盖11，浮块6和密封盖11均采用塑料材质制成，二者的总重量固定不变，浮块6的空腔内可放置大密度的物体以改变浮块6的整体重量。本实施例中，浮块6的槽底设置有磁性垫板12，磁性垫板12上吸附有砝码13，通过增加或减少砝码13的数量来改变浮块6的整体重量，采用磁性垫板12吸附砝码13，可避免浮块6在浮动过程中，砝码13在浮块6的内部移动而造成浮块6晃动；此外，浮块6的外壁上设置有刻度线，刻度线的起始位置位于浮块6的底面边缘，水槽1和水杯3均采用透明玻璃材质制成，可通过刻度线直观读出浮块6在水面上的吃水深度，通过此深度值与浮块6底面积的乘积可计算出浮块6排开水体的体积。水槽1的内壁顶部固定有环形的托架7，托架7上放置有环形的量水槽8。本实施例中，量水槽8的外侧壁顶部开设有不同高度的若干个定容溢流孔，每个定容溢流孔上设置有塞子，通过定容溢流孔可设定量水槽8的单次容水量，打开该定容溢流孔上的塞子，则量水槽8中的水量会维持在设定的容水量内，多余的水体会从定容溢流孔中溢出。本实施例中，托架7的边缘处开设有若干个漏水孔且漏水孔位于量水槽8外侧壁的外部或者托架7为镂空的网板结构，从量水槽8中溢出的水体通过托架7上的通孔结构，再次流回水槽1中。水杯3位于托架7和量水槽8的内部，水杯3的侧壁顶部开设有位于托架7下方的溢流孔，当水杯3中的水体漫过浮块6的最高位置一定高度后，多余的水体通过溢流孔流回水槽1中。水槽1的外壁上分别设置有微型水泵9、控制显示面板16和电源17，微型水泵9的进水端与水槽1的内部底端连通、出水端通过水管10与量水槽8的内部连通，电子拉力计4、微型水泵9、控制显示面板16分别与电源17电性连接，电子拉力计4、微型水泵9分别与控制显示面板16电性连接。水杯3的内壁顶部设置有第一电磁阀14，第一电磁阀14的阀门端口与量水槽8的内部底端连通，用于导通/阻断量水槽8内的水体流入水杯3内，第一电磁阀14与控制显示面板16电性连接，水杯3的外壁底部设置有第二电磁阀15，第二电磁阀15的阀门端口与水杯3的内部底端连通，用于导通/阻断水杯3内的水体流入水槽1中，第二电磁阀15与控制显示面板16电性连接。本实施例中，控制显示面板16采用单片机为控制芯片构成的控制电路，分别控制微型水泵9、第一电磁阀14、第二电磁阀15的开启和关闭，第一电磁阀14、第二电磁阀15均采用微型直动式电磁阀，具有阀门打开和关闭两种状态；微型水泵9和第一电磁阀14的工作状态包括两种：一是二者同时工作，二是二者交替工作，均通过预置在单片机内的控制程序实现。控制显示面板16上设置有显示屏、各个电气元件的控制按键以及工作模式选择按键，显示屏用于显示电子拉力计4检测的拉力值。

工作原理：本实用新型在使用时，具有两种实验模式（为便于陈述，以下浮块指浮块本体及附属结构）：

实验模式一：通过直接计算浮块漂浮或悬浮状态时所受浮力大小，验证该浮力大小与排开水体重量大小之间的关系。在这种模式下，按下控制显示面板16上的工作模式选择按键，使得微型水泵9和第一电磁阀14同时工作，则微型水泵9将水槽1中的水体引入量水槽8内，由于第一电磁阀14始终处于导通状态，则量水槽8内的水体则沿水杯3的内壁连续缓慢流入水杯3中，实验者可透过水槽1和水杯3观察浮块6的位置变化。随着水面的连续上升并到达一定高度时，浮块6开始浮起，并随液面同步增高，实验者听过观察了解物体浮起的过程以及“水涨船高”的物理现象。通过观察可以发现，浮块6在随液面上升的过程中，其吃水深度基本保持不变，可以从浮块6的刻度线上读出其吃水深度的大致数值，通过与浮块6的底面积乘积算出排水的体积，再通过理论公式验算，计算的浮力大小与浮块重力之间的关系；当液面上升到一定高度时，柔性细线5被拉直，电子拉力计4检测到拉力，并在控制显示面板16的显示屏上显示相应的拉力值，此时浮块6不再上升，随着液面的继续升高，电子拉力计4检测到的拉力值也不断增大，直至浮块6被水面淹没后，液面继续上升，而电子拉力计4检测到的拉力值保持不变，液面上升到水杯3侧壁的溢流孔位置时，水体通过溢流孔流回水槽1中，水杯3内额保持动态平衡的状态。此时，通过受力平衡条件，可得出：电子拉力计4检测的拉力值，即柔性细线5作用于浮块6的拉力，与浮块6自身重力值相加的和值应为浮块6所受浮力的大小；通过计算与浮块6同体积的水体的重量，可验证该体积水体的重量与该浮力的大小关系，进一步验证浮力大小与排开水体重量大小之间的关系。

实验模式二：通过已知浮块的重量和漂浮的条件，计算出其对应的最小理论吃水深度，通过定量加水，即水位的定量增高，来验证物体的起浮条件。在实验前，首先根据浮块6的整体重量和浮起的条件，即浮力≥重力，计算出该浮力对应的排开水体的体积，进而换算出与浮块6底面积相对应的最小吃水深度。由于水杯3和浮块6的底面积都是固定的，二者的差值也是固定值，则进入二者之间的水体升高单位距离相对应的单位体积也是固定的，因而可通过控制流入水杯3中水体体积的大小来控制水位上升的高度。具体操作过程为：先在再水杯3内注入一定量的清水，使水面与浮块6的底面齐平，此时浮块6所受浮力为零；而后根据上述确定的单位体积，选择量水槽8上合适的定容溢流孔，并将其上的塞子移除；按下控制显示面板16上的工作模式选择按键，使得微型水泵9和第一电磁阀14交替工作，微型水泵9将水槽1中的水体引入量水槽8中，当量水槽8内的水体液面到达定容溢流孔时，多余水体通过定容溢流孔流出，并透过托架7流回至水槽1中，量水槽8内的水体体积保持不变，持续一定时间后，微型水泵9暂停工作，第一电磁阀14工作，使量水槽8内的水体缓慢流入水杯3中，持续一定时间后，第一电磁阀14断电关闭，微型水泵9重新工作，继续进行后续的连续供水。实验者记录供水的次数和水体总量，并观察浮块6的位置变化，尤其观察浮块6上的刻度线所对应的吃水深度与理论计算的最小吃水深度接近时，浮块6的状态变化。当浮块6开始浮动时，立即使微型水泵9和第一电磁阀14停止工作。通过比较实际吃水深度值、实际供水对应的水位上升值与理论计算的最小吃水深度值，验证物体在水中浮起的条件。

以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种物理学习浮力实验装置，包括水槽（1），其特征在于，所述水槽（1）的内底面上固定有支架（2），所述支架（2）的顶部嵌装有水杯（3），所述水杯（3）的内部底面上固定有电子拉力计（4），所述电子拉力计（4）的受力端连接有柔性细绳（5），所述柔性细绳（5）的另一端连接有浮块（6），所述水槽（1）的内壁顶部固定有环形的托架（7），所述托架（7）上放置有环形的量水槽（8），所述水杯（3）位于托架（7）和量水槽（8）的内部，水杯（3）的侧壁顶部开设有位于托架（7）下方的溢流孔，所述水槽（1）的外壁上分别设置有微型水泵（9）、控制显示面板（16）和电源（17），所述微型水泵（9）的进水端与水槽（1）的内部底端连通、出水端通过水管（10）与量水槽（8）的内部连通，所述电子拉力计（4）、微型水泵（9）、控制显示面板（16）分别与电源（17）电性连接，电子拉力计（4）、微型水泵（9）分别与控制显示面板（16）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述浮块（6）为轻质材料制成的立方体空心槽结构，其顶部设置有密封盖（11）。

3.根据权利要求2所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述浮块（6）的槽底设置有磁性垫板（12），磁性垫板（12）上吸附有砝码（13）。

4.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述浮块（6）的外壁上设置有刻度线，刻度线的起始位置位于浮块（6）的底面边缘。

5.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述水杯（3）的内壁顶部设置有第一电磁阀（14），第一电磁阀（14）的阀门端口与量水槽（8）的内部底端连通，第一电磁阀（14）与控制显示面板（16）电性连接。

6.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述水杯（3）的外壁底部设置有第二电磁阀（15），第二电磁阀（15）的阀门端口与水杯（3）的内部底端连通，第二电磁阀（15）与控制显示面板（16）电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述托架（7）的边缘处开设有若干个漏水孔，漏水孔位于量水槽（8）外侧壁的外部。

8.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述托架（7）为镂空的网板结构。

9.根据权利要求1所述的一种物理学习浮力实验装置，其特征在于，所述量水槽（8）的外侧壁顶部开设有不同高度的若干个定容溢流孔，每个定容溢流孔上设置有塞子。

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