用于物理教学的浮力实验装置及实验方法与流程

本发明涉及物理实验领域，具体涉及用于物理教学的浮力实验装置及实验方法。

背景技术：

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。浮力现象是物理课程的重点内容，浸没在液体里的物体会受到重力和浮力的作用，当浮力大于重力时，物体会浮在液面上。浮力实验注重的是实验过程，需要学生参与到实验中来，仅通过教师口述讲解浮力实验，不利于学生学习。

为解决上述问题，公开号为cn207134024u的中国专利公开了一种物理学浮力展示实验用教学仪，包括底板、支撑杆、水箱、观测筒、第一测力计、浮球和第二测力计，底板的顶端设有支撑杆和观测筒，支撑杆的顶端固定连接水箱，排水管上设有第一控制阀；观测筒的开口端设有第一测力计，第一测力计通过连接杆固定在观测筒的内壁上，第一测力计的测力端通过第一线绳固定连接浮球，观测筒的内腔底壁固定连接第二测力计，第二测力计的测力端通过第二线绳固定连接浮球，底板的底端均匀的设有若干支脚。该方案能够将浮力产生的原因与过程直接展示给学生，可以根据蓄水箱内水的多少情况，有效测出浮力的大小情况，有助于学生的理解和学习。

上述的浮力实验装置是通过盛满水的水箱为观测筒加水，通过观测筒上的排水管进行排水。对于实验，尤其是物理学的实验，为了实验结果的准确性，就需要多次实验来排除人为误差。现有的浮力实验装置在多次实验时会存在实验过程麻烦的问题，每进行一次实验都要为水箱补水，且补水过程依靠学生或老师人力完成，多次实验会导致实验的过程费时费力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于物理教学的浮力实验装置，避免在多次实验时因水箱补水困难导致的浮力实验的过程费时费力的问题。

本发明提供的基础方案为：用于物理教学的浮力实验装置，包括实验装置、注水箱、排水箱和控制单元，实验装置包括实验筒、第一测力计、第二测力计和实验浮球；

注水箱底部设有与实验筒连通的第一管道，排水箱底部设有与实验筒连通的第二管道，排水箱顶部还设有与注水箱连通的第三管道；第一管道、第二管道和第三管道上分别设有控制管道通断的第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀；注水箱内设有与第三管道连接的抽水泵，排水箱底部固设有能感测排水箱底部压力信号的第一压力传感器；

第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和抽水泵均与控制单元电连接，第一压力传感器与控制单元信号连接。

本发明的有益效果：

1、本发明中，当实验用水从实验筒流到排水箱内时，第一压力传感器能感测到排水箱底部的压力信号，并将压力信号发送给控制单元，由控制单元控制第三控制阀开启，同时控制抽水泵工作，抽水泵通过第三管道将排水箱内的实验用水抽取到注水箱内。本发明与现有技术相比，能智能感测水位，并实现自动为注水箱添加实验用水的功能，节约了大量人力，还能提升浮力实验的效率。

进一步，实验筒的底部还固设有第二压力传感器，第二压力传感器能感测实验筒底部的压力信号，第二压力传感器与控制单元信号连接。

第二线绳完全伸直时，第二测力计上的数值就是实验浮球受到的浮力的大小，浮力实验完成，将此时第二压力传感器感测到的压力信号设为触发信号，将触发信号发送给控制单元，控制单元控制第一控制阀闭合，同时控制第二控制阀开启，实验筒内的实验用水能流向排水箱。

第二压力传感器触发信号的大小可通过公式f/s＝ρgh进行计算，其中f为触发信号的大小，ρ为实验用水的密度，g为重力加速度，h为第二线绳的长度与第二测力计的高度之和，s为实验筒的底部面积。有益效果：通过设置在实验筒底部的第二压力传感器，能实现自动判断浮力实验是否完成功能，当浮力实验完成后还能实现自动收集实验用水的功能。现有技术中直接将实验过后的实验用水排出，导致实验时水资源严重浪费，本发明能收集实验用水，避免了水资源的浪费。

进一步，还包括底座，底座的底部固设有支撑架，注水箱、排水箱和实验装置均固定安装于底座的顶部。

进一步，控制单元为单片机。有益效果：单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰能力的特点。

进一步，抽水泵通过中间继电器和接触器与单片机连接。有益效果：单片机难以直接驱动抽水泵，通过中间继电器和接触器作为中间驱动元件，能更稳定驱动抽水泵。

本发明另一方面还提供了用于物理教学的浮力实验方法，包括：

s1：测量实验浮球的重量，通过第一测力计测试并显示实验浮球的重量数值；

s2：浮力测试准备，在注水箱内放置实验用水，控制单元控制第一控制阀开启，第一管道开启，注水箱向实验筒内注入实验用水；

s3：浮力测试，实验筒内的实验用水的高度不断上升，当第二线绳完全伸直时，第一测力计的重量数值为零，第二测力计测试的数值为实验浮球受到的浮力数值；

s4：实验用水收集，做完一组浮力实验后，控制单元控制第一控制阀闭合，同时第二控制阀开启，实验筒内的实验用水流向排水箱进行收集；

s5：实验用水回收，当实验用水收集到排水箱时，控制单元能控制第三控制阀开启、同时控制抽水泵工作，将实验用水回收到注水箱中。

附图说明

图1为本发明实施例一中用于物理教学的浮力实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中用于物理教学的浮力实验装置的硬件结构图；

图3为本发明实施例二中用于物理教学的浮力实验装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二中伸缩管道的放大结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：底座1、支撑杆101、立柱102、注水箱2、排水箱3、第一压力传感器31、实验筒4、第一测力计41、第一线绳42、实验浮球43、第二线绳44、第二测力计45、第二压力传感器46、注水管道47、第四控制阀471、第一斜台472、排水管道48、第五控制阀481、第二斜台482、第一管道5、第二管道6、第一控制阀7、第二控制阀8、第三管道9、第三控制阀10、抽水泵11、控制单元12、水箱13、伸缩管道14、外层管道141、内层管道142、定位柱143、滑动柱144、伸缩弹簧145、第六控制阀15、第三压力传感器16、第四压力传感器17。

实施例一：

如图1所示：用于物理教学的浮力实验装置，包括底座1，底座1的底部固设有支撑杆101，底座1的顶部固定连接有注水箱2、排水箱3和实验装置，实验装置包括实验筒4，第一测力计41与实验筒4的顶部固定连接，第一测力计41上通过第一线绳42与实验浮球43的上端固定连接，第二测力计45固定连接于实验筒4的底部，第二测力计45通过第二线绳44与实验浮球43的下端固定连接。

注水箱2与实验装置之间设有第一管道5，第一管道5的上端与注水箱2连通，第一管道5的下端与实验筒4连通，排水箱3与实验装置之间设有第二管道6，第二管道6的上端与实验筒4连通，第二管道6的下端与排水箱3连通，排水箱3和注水箱2之间设有第三管道9，第三管道9打的上端与注水箱2连通，第三管道9的下端与排水箱3连通。

第一管道5上设有控制第一管道5通断的第一控制阀7，第二管道6上设有控制第二管道6通断的第二控制阀8，第三管道9上设有控制第三管道9通断的第三控制阀10，注水箱2内还设有抽水泵11，抽水泵11与第三管道9的上端连通，抽水泵11的抽水方向为：从排水箱3到注水箱2。

排水箱3的底部设有第一压力传感器31，实验筒4底部设有第二压力传感器46，在底座1上还设有控制单元12，控制单元12上还连接有电源。

第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制阀10、抽水泵11均与控制单元12电连接，第一压力传感器31和第二原理传感器均与控制单元12信号连接。

具体的，如图2所示：本实施例中，第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制阀10均采用电磁阀；抽水泵11采用kamoer的kcp-c型的迷你自吸泵；第一压力传感器31和第二压力传感器46均采用星仪的cyyz11型的液压传感器，控制单元12采用stc12c5a60s2单片机，电源可采用普通的五伏的电池组。

第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制均通过继电器与控制单元12连接，抽水泵11通过中间继电器和接触器与控制单元12连接，第一压力传感器31和第二压力传感器46均连接在控制单元12的任意输入引脚，电池组的正极和负极分别与单片机控制单元12的vcc和gnd引脚连接。

当实验用水从实验筒4流到排水箱3时，第一压力传感器31能感测到压力信号，并将压力信号发送给控制单元12，由控制单元12控制第三控制阀10开启，同时控制抽水泵11工作，将排水箱3内的实验用水抽取到注水箱2。

第二线绳44完全伸直时，第二测力计45上的数值就是实验浮球43受到的浮力的大小，浮力实验完成，发送此时第二压力传感器46感测到的压力信号为触发信号，发送触发信号给控制单元12，控制单元12控制第一控制阀7闭合，同时控制第二控制阀8开启。

第二压力传感器触发信号的大小可通过公式f/s＝ρgh进行计算，其中f为触发信号的大小，ρ为实验用水的密度，g为重力加速度，h为第二线绳的长度与第二测力计的高度之和，s为实验筒的底部面积。

本实施例还公开了用于物理教学的浮力实验方法，包括：

s1：测量实验浮球的重量，通过第一测力计测试并显示实验浮球的重量数值；

s2：浮力测试准备，在注水箱内放置实验用水，控制单元控制第一控制阀开启，第一管道开启，注水箱向实验筒内注入实验用水；

s3：浮力测试，实验筒内的实验用水的高度不断上升，当第二线绳完全伸直时，第一测力计的重量数值为零，第二测力计测试的数值为实验浮球受到的浮力数值；

s4：实验用水收集，做完一组浮力实验后，控制单元控制第一控制阀闭合，同时第二控制阀开启，实验筒内的实验用水流向排水箱进行收集；

s5：实验用水回收，当实验用水收集到排水箱时，控制单元能控制第三控制阀开启、同时控制抽水泵工作，将实验用水回收到注水箱中。

本实施例的工作过程：

在注水箱2内添加足够量的实验用水。

一、实验准备

首先第一测力计41测量实验浮球43的质量，然后由控制单元12控制第一控制阀7开启，注水箱2内的水通过第一管道5流入到实验筒4中。

二、浮力测试

当实验筒4内的水位高度与实验浮球43的高度一致时，实验浮球43开始受到浮力作用，第一测力计41的数值开始变化，持续向实验筒4内加水，知道第二线绳44完全伸直，此时第二测力计45的数值便是实验浮球43受到的浮力大小。

当第二线绳44完全伸直时，第二压力传感器46将感测到的压力信号发送给控制单元12，由控制单元12控制第一控制阀7闭合同时控制第二控制阀8开启。

三、实验用水回流

当实验用水从实验筒4流到排水通内时，第一压力传感器31能感测到实验用水的压力信号，将压力信号发送给控制单元12，由控制单元12控制第三控制阀10开启，同时控制抽水泵11启动，将排水箱3的水抽取到注水箱2，用于下一次实验。

当实验箱内的水完全排尽后，第二压力传感器46为感测到压力信号，控制单元12控制第二控制阀8闭合。

实施例二：

本实施例与实施例一相比，不同之处仅在于本实施例中的用于物理教学的浮力实验装置通过水箱13为实验装置注水和排水。

如图3所示：用于物理教学的浮力实验装置，实验装置包括实验筒4，第一测力计41与实验筒4的顶部固定连接，第一测力计41上通过第一线绳42与实验浮球43的上端固定连接，第二测力计45固定连接于实验筒4的底部，第二测力计45通过第二线绳44与实验浮球43的下端固定连接，实验筒4的底部固设有第二压力传感器46。

实验筒4的左侧上端开设有注水管道47，注水管道47上设有第四控制阀471，在注水管道47的下端设有第一斜台472；实验筒4的左侧下端开设有排水管道48，排水管道48上设有第五控制阀481，排水管道48的上端设有第二斜台482。

实验筒4的左侧还设有水箱13，水箱13上固设有提升机构，提升机构与立柱102滑动配合，在底座1上还设有控制提升机构上下滑动的提升电机。水箱13的右侧下端设有伸缩管道14，伸缩管道14上设有第六控制阀15。

如图4所示：伸缩管道14包括外层管道141和内层管道142，内层管道142与外层管道141的内壁滑动配合，在外层管道141的内侧上端和下端均设有定位柱143，内层管道142的最左端的上端和下端均设有滑动柱144，滑动柱144与外层管道141的内壁滑动配合，滑动柱144和定位柱143之间设有伸缩弹簧145。在未收到外力作用时，伸缩弹簧145能让内层管道142保持伸出外层管道141的状态。

内层管道142的最右侧上端固设有第三压力传感器16，内层管道142的最右侧下端固设有第四压力传感器17。内层管道142进入到注水管道47和排水管道48内时，第三压力传感器16和第四压力传感器17均能感测到压力信号。

第四控制阀471、第五控制阀481、第六控制均通过继电器与控制单元12连接，提升电机通过中间继电器和接触器与控制单元12连接，第三压力传感器16和第四压力传感器17均连接在控制单元12的任意输入引脚。

本实施例中，第四控制阀471开启的条件为：第三压力传感器16感测到压力信号且第二压力传感器46不满足触发条件；第五控制阀481开启的条件：第三压力传感器16感测到压力信号且第二压力传感器46满足触发条件；第六控制阀15的开启条件：第四压力传感器17感测到压力信号。

第二压力传感器触发信号的大小可通过公式f/s＝ρgh进行计算，其中f为触发信号的大小，ρ为实验用水的密度，g为重力加速度，h为第二线绳的长度与第二测力计的高度之和，s为实验筒的底部面积。

本实施例的工作过程：

1)注水，向水箱13内添加实验用水。

控制单元12控制提升电机工作，由提升电机带动提升机构和水箱13竖直向上运动，运动过程中，伸缩管道14的内层管道142会与第一斜台472接触。一方面，接触时第三压力传感器16能感测到压力信号并将压力信号发送给控制单元12，控制单元12控制第四控制阀471开启，做好注水的准备；另一方面，水箱13运动过程中，第一斜台472能不断给内层管道142施加压力，内层管道142通过滑动柱144压缩伸缩弹簧145，压缩管道不断向外层管道141内回缩，直至完全缩进外层管道141内；伸缩管道14与注水管道47对齐时，内层管道142弹出进入到注水管道47内。此时第四压力传感器17也能感测到压力信号并发送压力信号给控制单元12，由控制单元12控制第六控制阀15开启，实验用水从水箱13流进实验筒4内，实现加水过程。

2)排水，浮力实验完成之后需要将实验筒4内的实验用水排出。

控制单元12控制提升电机工作，由提升电机带动提升机构和水箱13竖直向下运动，运动过程中，伸缩管道14的内层管道142会与第二斜台482接触。一方面，第四压力传感器17能感测到压力信号并发送压力信号给控制单元12，控制单元12控制第六控制阀15开启，做好排水的准备；另一方面，水箱13运动过程中，第二斜台482能不断给内层管道142施加压力，内层管道142通过滑动柱144压缩伸缩弹簧145，压缩管道不断向外层管道141内回缩，直至完全缩进外层管道141内；当伸缩管道14与排水管道48对齐时，内层管道142弹出进入到排水管道48内。此时，第三压力传感器16能感测到来自排水管道48上侧壁的压力信号，且位于实验筒4底部的第二压力传感器46能感测到触发信号，当第二压力传感器46感测到触发信号且第三压力传感器16感测到压力信号时，控制第五控制阀481开启，实验用水从实验筒4内流出，实现排水的过程。

本实施例中，在注水时能提前将第四控制阀471开启，为注水做好准备，因为在水箱13的第六控制阀15开启的一瞬间，水压很大，第四控制阀471若未保持关闭就很容易因受到的冲击过大，而导致使用寿命缩短或损坏的问题；同理，在排水时，会提前打开第六控制阀15做好排水准备。本实施例的方案能在注水和排水时提前做好准备，能避免实验用水的高压冲击导致控制阀损害的问题出现。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。