一种验证阿基米德原理的实验仪的制作方法

本实用新型涉及教学用具领域,特别涉及一种验证阿基米德原理的实验仪。

背景技术：

关于阿基米德原理是初中物理的一个重要验证性实验，纵观各种版本的教材，包括人教版、苏教版和粤沪教科版的教材对阿基米德原理的验证思路都大同小异，其步骤可以归纳为：1)首先准备实验器材：溢水杯、接水杯、弹簧测力计、水、被测物体等；2)用弹簧测力计测出空接水杯和被测物体的重力，分别记为g杯和g物；3)把物体挂在弹簧测力计下，缓慢浸入装满水的溢水杯中，溢水杯中的水溢出，溢出的水用接水杯承接；4)测出浸入水中后弹簧测力计的读数为f拉，接水杯和所溢出的水的总重力为g总；5)利用f浮＝g物-f拉计算物体浸入水中所受的浮力，再利用g排＝g总-g杯计算被排开水的重力；6)通过分析得出阿基米德原理：物体在液体中所受的浮力等于被排开液体所受的重力，即f浮＝g排。

上述传统教材中的验证方法存在以下几个缺点和不足：

1)实验步骤比较繁琐，给本实验的顺利进行带来许多意想不到的困难。①学生难以厘清所进行的实验步骤及其实验目的之间的必然关系，只是机械地按照课本的顺序来做，而不理解为什么要这样做，实验往往达不到预期的教学效果。②对实验步骤的疏漏使实验进行不畅，学生容易出现做了后面而忘记做前面步骤的情况，比如：只记得测量物体的重力，然后用接水杯接溢出水的重力，而忘记测空杯的重力，导致实验前功尽弃的结果，不得不重新进行实验。③实验步骤的混乱引起实验失败，学生还容易出现直接把物体浸入到水中，先测f拉，而忘记测量g物，在实验过程中意识到没有测量g物后，直接把物体从水中取出再测“g物”，导致“g物”偏大使实验数据错误而无法得出实验结论。④因对实验数据处理错误而导致实验失败，为了验证阿基米德原理，必须用称重法计算物体所受的浮力f浮和被排开液体的重力g排，但是学生往往容易由于读数误差甚至错误、计算失误等原始问题导致得不到正确的实验结论。⑤为了探究一条物理规律，应该是进行多种物体、多次的实验，才能使实验结论具备普遍性，但由于传统教材中实验步骤比较繁琐，受到时间的限制，因此在实际课堂演示实验中，老师一般只能做一种物体较少次数的实验，以此来说明阿基米德原理，使实验结论的普遍性受到质疑。

2)实验的现象不够直观，让学生对实验结论的理解存在障碍。①传统教材中的验证方法是通过一系列繁琐的实验步骤和数据计算后得出实验结论，数据虽然是客观严谨的，但是，对初步接触物理学的学生来说显得有点“冷冰冰”的感觉，没有温度，比较抽象，容易形成课后死背结论而不理解物理规律本质的结果。②甚至有些学生在实验过程中存在玩弄数据的嫌疑，在实验过程中，学生在预习中背下阿基米德原理的结论，在实验过程中刻意地去“制造”数据，来迎合实验结论，导致实验的目的和意义大打折扣。③根据教材的编排，本实验并不是必做实验，而是演示实验，在课堂演示实验中，老师在讲台上拿着一个弹簧测力计进行演示的过程中，坐在教室中后排的学生根本看不清弹簧测力计的读数，为了客观起见，老师最多只是请个别学生到讲台进行读数和复读，但是，对于大部分学生来说，只是被动的接受数据，这样的实验并没有多少说服力。学生对阿基米德原理的认识大多是听停留在被动接受的层面上，而不是主观的理解。

还有，现有中国专利一种阿基米德实验仪(申请号：201620432955.9)中公开的实验仪包括支架，所述支架由底板、侧柱和水平横梁固定组成；所述底板上设有升降台，所述升降台上设有调节螺栓和放置有溢水杯，所述溢水杯上设有位置刻度；所述水平横梁上悬挂有单向测力计和固定有双向测力计；所述单向测力计的挂钩上悬挂有盛液桶，所述盛液桶上设有容积刻度；所述双向测力计的下端固定有压盘，所述压盘上设有可翻转挂件。使用时，所述溢水杯的溢水口在所述盛液桶的正上方。该专利的实验仪结构是针对弹簧测力计和溢水杯方面的改进，在通过该实验仪验证阿基米德原理的实验过程中仍然需要对浮力和被排开液体重力进行测量，步骤同样繁杂，同时也存在因测量和处理数据带来一系列的问题。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是针对上述现有技术中存在的缺陷,提供一种验证阿基米德原理的实验仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题,本实用新型采取的技术方案如下:一种验证阿基米德原理的实验仪,包括支架、平衡杠杆、溢水杯、作用力转化组件，所述平衡杠杆几何中心设置为枢接于支架上部的支点，所述平衡杠杆的两端分别设置为悬挂被测物体的第一悬挂端、悬挂配重杯的第二悬挂端，所述溢水杯位于第一悬挂端正下方；所述作用力转化组件包括固定杆、承接从溢水杯内溢出的液体的接水杯、滑轮以及与挂设在滑轮上的拉绳，所述滑轮固定在固定杆上，所述拉绳的两端分别与接水杯、第二悬挂端连接；通过作用力转化组件将接水杯处的重力转化为对第二悬挂端处的拉力。

作为对上述技术方案的进一步阐述：

在上述技术方案中,所述支架底部设置有底座，所述底座在溢水杯下方设置有控制溢水杯高度的升降组件，所述升降组件包括升降台、升降杆、套管以及固定螺栓，所述溢水杯放置在升降台上，所述套管竖直固定在底座上，所述升降杆的上端与升降台固接，所述升降杆的下端穿设在套管内，所述固定螺栓设在套管与升降杆之间。

在上述技术方案中,所述固定螺栓与套管管壁螺纹连接，所述固定螺栓的末端抵靠于升降杆外壁，所述升降杆通过固定螺栓与套管固接。

在上述技术方案中,所述溢水杯的外壁设置有向下倾斜的溢水管，所述溢水管的末端位于接水杯正上方。

在上述技术方案中,所述支架为竖直设置在底座上的直杆，所述固定杆垂直固定在直杆上端。

在上述技术方案中,所述平衡杠杆上等间距设置有多个挂钩，所述挂钩为长度方向的两端均设置有钩子的挂钩。

在上述技术方案中,所述滑轮的数量为两个，所述两个滑轮分别位于配重杯正上方和接水杯正上方。

在上述技术方案中,所述滑轮的数量为一个，所述滑轮的直径为配重杯到接水杯之间的水平距离。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过作用力转化组件把被排开液体竖直向下的重力转化对平衡杠杆第二悬挂端竖直向上的拉力；利用平衡杠杆的平衡原理，直观的展现被物体所增加的浮力f浮与被排开液体所受的重力g排之间的关系，简化了实验步骤，提高了实验的效率，让实验操作更加简便，避免了繁琐的数据计算，实现无数据化处理，使得实验现象更加直观，使得实验结论更有说服力，加深学生对物理规律的理解。

附图说明

图1是本实用新型实施例一结构示意图；

图2是本实用新型验证物体沉浮条件的结构示意图。

图中：11、底座；12、支架；13、平衡杠杆；14、固定杆；15、滑轮；21、套管；22、固定螺栓；23、升降杆；24、升降台；3、溢水杯；4、接水杯；5、配重杯；6、被测物体。

具体实施方式

下面结合附图1至附图2对本实用新型作进一步详细的说明。

通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述,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申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“若干个”、“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一，

如图1所示，一种验证阿基米德原理的实验仪,包括支架12、平衡杠杆13、溢水杯3、作用力转化组件，平衡杠杆13几何中心设置为枢接于支架12上部的支点，平衡杠杆13的两端分别设置为悬挂被测物体6的第一悬挂端、悬挂配重杯5的第二悬挂端，溢水杯3位于第一悬挂端正下方；作用力转化组件包括固定杆14、承接从溢水杯3内溢出的液体的接水杯4、滑轮15以及与挂设在滑轮15上的拉绳，滑轮15固定在固定杆14上，拉绳的两端分别与接水杯4、第二悬挂端连接；通过作用力转化组件将接水杯4处的重力转化为对第二悬挂端处的拉力。

支架12底部设置有底座11，底座11在溢水杯3下方设置有控制溢水杯3高度的升降组件，升降组件包括升降台24、升降杆23、套管21以及固定螺栓22，溢水杯3放置在升降台24上，套管21竖直固定在底座11上，升降杆23的上端与升降台24固接，升降杆23的下端穿设在套管21内，固定螺栓22设在套管21与升降杆23之间。

固定螺栓22与套管21管壁螺纹连接，固定螺栓22的末端抵靠于升降杆23外壁，升降杆23通过固定螺栓22与套管21固接。

溢水杯3的外壁设置有向下倾斜的溢水管，溢水管的末端位于接水杯4正上方。

支架12为竖直设置在底座11上的直杆，固定杆14垂直固定在直杆上端。

平衡杠杆13上等间距设置有多个挂钩，挂钩为长度方向的两端均设置有钩子的挂钩。

滑轮15的数量为两个，两个滑轮15分别位于配重杯5正上方和接水杯4正上方。

滑轮15的数量为一个，滑轮15的直径为配重杯5到接水杯4之间的水平距离。

本实用新型验证阿基米德原理的实验步骤：

1)安装实验仪器：分别把被测物体6、配重杯5挂在平衡杠杆13的第一悬挂端和第二悬挂端，拉绳挂在滑轮15上，将拉绳的一端固定在第二悬挂端，另一端与接水杯4连接；

2)调节平衡：把溢水杯3放置在升降台24上，往配重杯5里加入配重物体(如水)，使平衡杠杆13平衡；

3)开始实验：

①用手托住升降台24缓慢上升，直到被测物体6完全浸入到水中。溢水杯3中的液体滴落到接水杯4中，观察平衡杠杆13，经过一段时间后，平衡杠杆13在浮力和被排开液体重力的作用下，能自动调节，回到当初的平衡状态。

②同一被测物体6，通过调节升降台24的高度，可以任意调节被测物体6浸入的体积，通过多次实验，得出f浮＝g排的结论

③更换不同的物体，重复②步骤，观察后得出f浮＝g排的结论，即验证阿基米德原理。

实施例二，

与实施例一不同的地方在于，滑轮15的数量为一个，滑轮15的直径为配重杯5到接水杯4之间的水平距离。

通过本实用新型的实验仪进行实验，1、大大简化了实验的步骤：1)使实验的本质更容易理解：物体浸入液体中后，产生的浮力等于由被排开液体重力转化而来的向上的拉力，即f浮＝g排，实验过程指向性强，言简意赅；2)免去了由于实验步骤繁多而导致的诸如步骤疏漏、混乱等带来的不良实验后果。

2、实现了无数据化处理，去除了实验过程中的数据测量和处理环节，避免了由于实验过程中由于读数的误差、错误，甚至由于故意捏造数据等主观、客观原因而导致的实验结论错误和结论的不可信问题。

3、实验现象更直观，通过观察平衡杠杆13的平衡现象，经过简单的受力分析就可以得出“f浮＝g排”的结论，而不需要读取弹簧测力计的读数，避免了坐在教室中后排的学生看不到而被动接受实验结论的尴尬，使实验现象更加形象和直观，更有说服力。

4、提高实验效率，使结论更具有普遍性，在有限的课堂时间里，可以方便地进行各种物体多种情况下的实验，大大提高了实验的效率和可信度，让实验结论更具备科学性和普遍性。

5、本实验首先在定性层面上可以很好地验证阿基米德原理，即在平衡杠杆13第一悬挂端和和拉绳与接水杯4连接的一端各增加一个弹簧测力计，就可以定量地测量浮力和被排开液体的重力，从定量的层面上更进一步验证阿基米德原理。

利用了滑轮15的性质，把被排开液体竖直向下的重力转化为对平衡杠杆13第二悬挂端竖直向上的拉力，同时，利用平衡杠杆13平衡的原理，巧妙地判断物体所增加的浮力f浮等于被排开液体的所受的重力g物。被测物体6的重力g物和配重的重力g配相等(g配应视为杠杆右侧配重杯5向下的拉力减去接水杯4通过滑轮15转化后向上的拉力)，由于g物·l＝g配·l，平衡杠杆13保持平衡，即g物＝g配；随着升降台24缓慢上升，物体开始浸入到溢水杯3的水中，受到竖直向上的浮力f浮，因为(g物-f浮)<g配，此时，平衡杠杆13开始往右倾斜，同时，溢水杯3的水溢出到接水杯4中，再通过滑轮15，把被排开液体的重力转换成对平衡杠杆13第二悬挂端竖直向上的拉力，最后使平衡杠杆13恢复平衡，所以，(g物-f浮)·l＝(g配-g排)·l，即f浮＝g排，由此说明被测物体6所受的浮力等于被排开液体的重力。

本实验除了可以验证阿基米德原理外，进行改进(如图2所示)，还可以进行物体沉浮条件的验证：

1)先把两个相同种类的被测物体6放在平衡杠杆13左右两个杯子中，平衡杆杆平衡就说明两个物体的重力相等；

2)把左边杯子里的物体取出，系在细绳上，通过滑轮15缓慢地浸入水中，使溢水杯3中的水溢出到接水杯4中；

3)如果物体最终是沉底的，则同时可以观察到杠杆往右侧倾斜，说明物体的重力大于排开液体的重力，即g物>f浮；如果物体最终是悬浮或者漂浮的，则可以观察到杠杆最终会恢复平衡，说明物体的重力等于被排开的液体的重力，即g物＝f浮，这就使物体的沉浮条件。

利用平衡杠杆13的平衡条件来体现物体所受浮力与被排开液体的重力相等，从而去除了数据处理的环节，因此，凡是通过平衡杠杆13的本质，利用作用力转化组件来将被排开液体受到的重力转化到平衡杠杆13上的设计思路都是本实用新型需要保护的范围。

本技术方案还可以通过一个较大的滑轮15来代替平衡杠杆13，把被测物体6悬挂在滑轮15一侧，接水杯4与配重杯5一起悬挂在滑轮15的另一侧，然后通过观察滑轮15两端的物体是否上升或下降来判断浮力与被排开的液体重力是否相等，其技术原理与该发明专利的原理是一样的。

以上并非对本实用新型的技术范围作任何限制，凡依据本实用新型技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。