一种阿基米德原理试验台的制作方法

本发明涉及物理实验设备技术领域，尤其是一种阿基米德原理试验台。

背景技术：

阿基米德原理：浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力，又称“浮力原理”，浮力的大小可用下式计算：f浮=ρ液gv排；中学物理教学中对此知识点的教授均会对应安排实验课程，使学生在实验实践中加深对知识点的理解。

现有技术的阿基米德原理实验设备一般都是通过弹簧拉力计测得浸在液体中的物体所受的拉力，该物体的自身重力、所受拉力和浮力，三力平衡，计算得出该物体所受浮力，将所计算出的浮力值与排出液体的重量值对比，从而验证阿基米德原理；操纵弹簧拉力计，使其随被测物体在液体中升降的手段一般有：通过手持弹簧拉力计实现，或者，将弹簧拉力计与拉绳相连，拉绳卷绕在滚轮或者长杆上，通过手动转动滚轮或者长杆控制拉绳，进而控制弹簧拉力计与被测物体的升降。

采用此类现有技术的实验设备，实验过程中人为干扰因素较多，存在如下缺点：手持弹簧拉力计，会因为手部不自觉的抖动而导致测量误差增大；通过人眼观察被测物体的入水深度，目测结果会进一步累计测量误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提供一种可以降低测量误差的阿基米德原理试验台。

要解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种阿基米德原理试验台，包括液体容纳桶、被测块、称重杯和电子秤，所述液体容纳桶包括筒体和与筒体内腔相通的排液管，排液管用于将筒体内的液体排出至称重杯中，电子秤用于对称重杯中的液体承重；还包括台架、电动升降装置、拉力传感器、盛水杯、控制器和操作显示屏；所述台架包括相互固定连接的实验台面和龙门架，所述龙门架位于所述实验台面的上方，龙门架包括右侧板、顶板和左侧板；所述实验台面上设有液体容纳桶放置槽，所述液体容纳桶置于液体容纳桶放置槽中；所述被测块包括块体，块体为长方体、正方体或圆柱体形状，块体的顶面固定连接有吊绳，被测块通过吊绳与所述拉力传感器的测力钩相连；拉力传感器的上挂钩挂在所述电动升降装置的升降活动端，电动升降装置的固定端固定连接在所述台架的龙门架的顶板上，电动升降装置的动力输入端与伺服减速电机相连，拉力传感器、伺服减速电机的驱动器、操作显示屏均与控制器相连，操作显示屏固定在台架的龙门架的右侧板或左侧板上；操作显示屏上设有下降高度设定界面、当前升降位移显示界面、拉力显示界面、启动按钮和回归零点按钮，通过操作显示屏控制伺服减速电机的动作；标定液体容纳桶的零点液位m时，盛水杯用于接纳溢出的多余液体，零点液位m与液体容纳桶的排液管的内底面齐平。

进一步地，所述台架的底部固定连接有支腿，所述支腿的数量为4个，分布在实验台面的四角。

进一步地，所述支腿的底面固定连接有刹车万向轮。

进一步地，所述电动升降装置包括丝杠、丝杠螺母和升降结构件，所述丝杠与丝杠螺母匹配连接，丝杠的下端通过轴承与下轴承座相连，丝杠的上端通过轴承与上轴承座相连，丝杠螺母位于下轴承座和上轴承座之间，下轴承座与上轴承座均通过螺钉固定连接在固定支架上，固定支架通过螺钉固定连接在所述台架的龙门架的顶板上；固定支架上设有一对相互平行的直线导轨，直线导轨的长度方向与丝杠的轴线平行，直线导轨上配套设有滑块，所述升降结构件通过螺钉与滑块固定连接，丝杠螺母通过螺钉与升降结构件固定连接，升降结构件即为电动升降装置的升降活动端；升降结构件上设有拉力传感器挂孔，拉力传感器的上挂钩挂在拉力传感器挂孔上；丝杠的上端通过联轴器与伺服减速电机的输出轴相连，伺服减速电机通过螺钉固定在台架的龙门架的顶板上。

进一步地，所述固定支架为铸件经机加工而成，包括第一安装板和第二安装板，第一安装板和第二安装板呈l型结构，第一安装板通过螺钉固定连接在所述台架的龙门架的顶板上，第二安装板上设有一对导轨安装台，导轨安装台用于安装直线导轨。

进一步地，所述升降结构件上设有滑块安装面和丝杠螺母安装凸台，滑块安装面用于滑块的定位安装，丝杠螺母安装凸台上设有升降螺母安装孔，丝杠螺母穿过升降螺母安装孔并通过螺钉固定安装在丝杠螺母安装凸台上。

进一步地，所述称重杯为透明材质，设有容量刻度。

进一步地，被测块的数量为3个，分别为第一被测块、第二被测块和第三被测块，所述第一被测块的密度大于水的密度，所述第二被测块的密度等于水的密度，所述第三被测块的密度小于水的密度。

本发明可以达到的有益效果为：在操作显示屏上设定下降高度，操作显示屏上显示当前升降位移，无需目测被测物体的入液深度，避免目测误差；伺服减速电机带动被测块匀速下降至设定高度，操作显示屏上显示拉力传感器所测拉力值，避免实验过程的人为干扰因素，所示拉力值更准确；通过标定液体容纳桶的零点液位m，大大缩小了排出液体的体积与被测物体浸入液体的体积的比较误差；实验结果更准确，且效率高。

附图说明

图1是本发明实施例的结构立体图；

图2是本发明实施例的主视图；

图3是本发明实施例的右视图；

图4是图3的剖视图a—a；

图5是图4的局部放大视图i；

图6是本发明实施例中台架的结构示意图；

图7是本发明实施例中升降结构件的结构示意图；

图8是本发明实施例中固定支架的结构示意图；

图9是本发明实施例中被测块处于零点的状态示意图；

图10是本发明实施例中被测块完全浸没于液体中的状态示意图；

图中：1-台架，101-实验台面，102-液体容纳桶放置槽，103-右侧板，104-顶板，105-左侧板，106-支腿，107-刹车万向轮，2-液体容纳桶，201-筒体，202-排液管，3-操作显示屏，4-电动升降装置，401-伺服减速电机，402-联轴器，403-升降结构件，4031-滑块安装面，4032-丝杠螺母安装凸台，4033-升降螺母安装孔，4034-拉力传感器挂孔，404-丝杠螺母，405-下轴承座，406-丝杠，407-固定支架，4071-第一安装板，4072-第二安装板，4073-导轨安装台，408-上轴承座，409-滑块，410-直线导轨，5-拉力传感器，6-被测块，601-块体，602-凸起，603-吊绳，7-称重杯，8-电子秤，9-盛水杯。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

一种阿基米德原理试验台，包括液体容纳桶2、被测块6、称重杯7和电子秤8，液体容纳桶2包括筒体201和与筒体201内腔相通的排液管202，排液管202用于将筒体201内的液体排出至称重杯7中，电子秤8用于对称重杯7中的液体承重，称重杯7为透明材质，设有容量刻度；还包括台架1、电动升降装置4、拉力传感器5、盛水杯9、控制器和操作显示屏3。

台架1包括相互固定连接的实验台面101和龙门架，龙门架位于实验台面101的上方，龙门架包括右侧板103、顶板104和左侧板105；实验台面101上设有液体容纳桶放置槽102，液体容纳桶2置于液体容纳桶放置槽102中；台架1的底部固定连接有支腿106，支腿106的数量为4个，分布在实验台面101的四角；支腿106的底面固定连接有刹车万向轮107。

被测块6包括块体601，块体601为长方体形状，块体601的顶面设有凸起602，凸起602固定连接有吊绳603，被测块6通过吊绳603与拉力传感器5的测力钩相连。被测块6的数量为3个，分别为第一被测块、第二被测块和第三被测块，3个被测块6的高度相等，所述第一被测块的密度大于水的密度，所述第二被测块的密度等于水的密度，所述第三被测块的密度小于水的密度，每个被测块6上均标注有横截面积值、密度值和重量值。

电动升降装置4包括丝杠406、丝杠螺母404、升降结构件403和固定支架407；

升降结构件403上设有滑块安装面4031、丝杠螺母安装凸台4032和拉力传感器挂孔4034，滑块安装面4031用于滑块409的定位安装，拉力传感器挂孔4034，用于与拉力传感器5相连，丝杠螺母安装凸台4032上设有升降螺母安装孔4033，丝杠螺母404穿过升降螺母安装孔4033并通过螺钉固定安装在丝杠螺母安装凸台4032上；

固定支架407为铸件经机加工而成，包括第一安装板4071和第二安装板4072，第一安装板4071和第二安装板4072呈l型结构，第一安装板4071通过螺钉固定连接在台架1的龙门架的顶板104上，第二安装板4072上设有一对导轨安装台4073，导轨安装台4073用于安装直线导轨410；

丝杠406与丝杠螺母404匹配连接，丝杠406的下端通过轴承与下轴承座405相连，丝杠406的上端通过轴承与上轴承座408相连，丝杠螺母404位于下轴承座405和上轴承座408之间，下轴承座405与上轴承座408均通过螺钉固定连接在固定支架407的第二安装板4072上，位于两导轨安装台4073之间；一对相互平行的直线导轨410分别通过螺钉固定安装在固定支架407的导轨安装台4073上，直线导轨410的长度方向与丝杠406的轴线平行，直线导轨410上配套设有滑块409，滑块409通过螺钉固定安装在升降结构件403的滑块安装面4031上；丝杠406的上端通过联轴器402与伺服减速电机401的输出轴相连，伺服减速电机401通过螺钉固定在台架1的龙门架的顶板104上。

拉力传感器5的上挂钩挂在拉力传感器挂孔4034上，拉力传感器5、伺服减速电机401的驱动器、操作显示屏3均与控制器相连，操作显示屏3固定在台架1的龙门架的右侧板103或左侧板105上；操作显示屏3上设有下降高度设定界面、当前升降位移显示界面、拉力显示界面、启动按钮和回归零点按钮，通过操作显示屏3控制伺服减速电机401的动作；

标定液体容纳桶2的零点液位m时，盛水杯9用于接纳溢出的多余液体，零点液位m与液体容纳桶2的排液管202的内底面齐平。

本实施例的使用举例说明：

1）试验台通电，开机；

2）标定零点液位m：将盛水杯9置于液体容纳桶2的排液管202的下方，向液体容纳桶2内添加水（当然，实验时也可以使用其他可用液体，比如酒精），等容纳桶2中的水溢出至盛水杯9中后，停止向容纳桶2内添加水，此时水面液位即为零点液位m，如图9所示；

3）选择被测块6（第一被测块或第二被测块或第三被测块），将被测块6挂在拉力传感器5的测力钩上，点击操作显示屏3上的回归零点按钮，此时被测块6的底面与零点液位m齐平，如图9所示；

4）将盛水杯9移开，将称重杯7置于液体容纳桶2的排液管202的下方，称重杯7置于电子秤8上；

5）在操作显示屏3上的下降高度设定界面设定被测块6的下降高度，点击操作显示屏3上的启动按钮，伺服减速电机401带动被测块6匀速下降至设定高度；

6）实验数据的记录：升降位移显示界面显示被测块6的下降高度，拉力显示界面显示拉力传感器5所测拉力值，电子秤8上显示排出水的重量，通过称重杯7还可估读出排出水的体积。

7）数据处理：根据被测块6受力平衡，浮力=重力-拉力；对比浮力与排出水的重力，从而验证阿基米德原理。

采用本实施例的有益效果：

1）通过标定液体容纳桶2的零点液位m，大大缩小了排出液体的体积与被测块6浸入液体的体积的比较误差；

2）在操作显示屏3上设定下降高度，操作显示屏3上显示当前升降位移，无需目测被测块6的入液深度，避免目测误差；

3）伺服减速电机401带动被测块6匀速下降至设定高度，操作显示屏3上显示拉力传感器5所测拉力值，避免实验过程的人为干扰因素，所示拉力值更准确；

4）伺服减速电机401带动丝杠406转动，从而驱动丝杠螺母404带动被测块6升降，升降平稳，且下降高度的控制比现有技术采用的卷绕拉绳的方法更为精确。

5）实验结果更准确，且效率高。

在本发明的描述中，“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位或位置关系的词语，仅是为了便于描述本发明，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发明的限制。

以上所述仅是本发明的其中一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下所做出的若干改进和润饰均为本发明的保护范围。