液体压强与浮力探究演示教具

本实用新型属于教学教具技术领域，特别是涉及一种液体压强与浮力探究演示教具。

背景技术：

中学阶段，压强和浮力是重要的学习内容。液体压强只与液体密度和深度有关。密度一定的情况下，深度越大，压强越大，这是液体压强认识上的难点。物体在水中的沉浮及相关概念从小学到高中都有涉及，处于液体中的物体同时受到重力和浮力的作用，其沉浮的状态决定于重力和浮力的相对大小。在物理课本上，对于浮力、液体压强及沉与浮的实验很多。但是这些实验均将浮力、液体压强及受力平衡单独思考，没有将这几个物理问题综合考虑的多因素实验设计，不能反映某些情况下浸入水中的物体实际受力情况。而且也缺乏能清晰演示液体内部压强随深度连续变化的教具。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种操作简便、实验现象直观明显的液体压强与浮力关系的演示教具。

本实用新型提供的这种液体压强与浮力探究演示教具，它包括容器筒和释疑筒；容器筒的一端开口、一端封闭，其筒壁包括透明段，筒壁外设刻度；释疑筒包括外筒、内筒、环板和配重，外筒一端开口、一端封闭，内筒的两端均为开口，内筒同轴设置于外筒内，配重能够被磁体吸附，配重置于外筒与内筒之间的环形腔中，环板封闭环形腔；释疑筒置于容器筒内，将磁体贴于容器筒外即可带动释疑筒在容器筒内升降。

所述容器筒为透明圆筒，其封闭端外设底座。

所述释疑筒为透明亚克力筒，所述配重为若干钢珠。

所述环形腔内设隔板将腔体分隔为四个相互独立的小腔，所述配重置于相对两小腔内。

所述释疑筒还包括刻度尺贴纸，刻度尺贴纸沿轴向设置于释疑筒筒壁外。

本教具还包括演示筒，演示筒为白色亚克力筒，包括外套、内套、封板和钢珠；外套一端封闭，一端开口；内套两端均为开口，内套同轴设置于外套内；封板为环板，封闭外套与内套之间的间隙；钢珠注入间隙内。

本教具还包括对比筒，对比筒与所述释疑筒体积相等，质量相同，对比筒两端均封闭，内设固定片，固定片与筒壁之间填充钢柱作为配重。

本实用新型在使用时，向容器筒内注入液体，将释疑筒同轴置于容器筒内，向容器筒内注入液体，释疑筒上浮，然后将磁体贴于容器筒外带动释疑筒在容器筒内下沉浸入液体中。释疑筒在磁体不断吸引下沉到更深深度，直至某一深度时，释疑筒所受浮力与重力几乎相等，此时释疑筒处于近似的力平衡状态，在水中几乎悬浮不动，这一深度即为临界深度。磁体带动释疑筒下行超过该临界深度后，释放释疑筒，释疑筒加速下沉；磁体带动释疑筒上行越过该临界深度后，释放释疑筒，释疑筒加速上浮。

附图说明

图1为本实用新型一个优选实施例的剖视示意图。

图2为本优选实施中释疑筒的轴向剖视放大示意图。

图3为本优选实施中释疑筒的径向剖视放大示意图。

图4为本优选实施中演示筒的轴向剖视放大示意图。

图5为本优选实施中对比筒的轴向剖视放大示意图。

图示序号：

1—容器筒，11—底座；

2—释疑筒，21—外筒，22—内筒，23—环板，24—隔板，25—配重；

3—演示筒，31—外套，32—内套，33—封板；

4—对比筒，41—固定片；

5—刻度尺贴纸。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种液体压强与浮力探究演示教具，由四部分构成，分别是容器筒1、释疑筒2、演示筒3和对比筒4；演示时，将一对容器筒并列布置，将一个演示筒3和一个对比筒4分别浸入对应的容器筒内。同时通过释疑筒2在容器筒1内的沉浮来进一步解释。

容器筒1为透明圆筒，其外径70mm，内径60mm，长度1.5米，其外壁贴有通长的透明刻度尺贴纸5，以便测量深度，并在封闭端设置底座11以防倾倒。

如图2所示，释疑筒2为透明亚克力筒，由外筒21、内筒22、环板23和隔板24四部分构成，并在外筒与内筒之间的密封间隙内增设配重25。外筒21为一端开口、一端封闭的圆筒，其外壁贴有透明的刻度尺贴纸，其长度为14cm，其外径为50mm，内径为46mm。内筒22的两端均为开口，其长为12.8cm，外径20mm，内径16mm。内筒同轴设置于外筒内，与外筒之间形成环形腔，环板23封闭该环形腔。并选用四片长13cm，宽13mm的长方形透明亚克力片作为隔板24将环形腔分隔成四等分空间，并向其中相对的两个空间中装入一定量的钢珠作为配重25。使得整个释疑筒2的总质量为267.0g。

如图3所示，演示筒3为白色亚克力筒，以便更清楚的体现在容积筒内的沉浮。其结构与释疑筒结构相似，包括外套31、内套32和封板33。外套31一端封闭，一端开口，长约14cm，外径50mm，内径46mm。内套两端均为开口，长约13cm，外径40mm，内径36mm，内套同轴设置于外套内。封板33为环板封闭外套与内套之间的间隙，并向该间隙内注入钢珠作为配重，使整个演示筒质量与释疑筒相近，并便于通过磁铁带动其沿容积筒的深度方向运动。

如图4所示，对比筒4为普通筒，选用长约14cm，外径50mm的白色亚克力管作为外壳，将一端封闭，装入一定质量钢珠作为配重至质量与释疑筒相近后通过直径为46mm亚克力圆片作为固定片41将钢珠压实固定，再将另一端封闭即可。

各组件制作完成后，进行教学实验。实验时，将两个容器筒并列布置，并向内装水至1.4m左右，再将演示筒和对比筒同时分别垂直放入对应的容器筒中，此时它们均漂浮在水面上。然后按照如下步骤进行：

1、用磁铁隔空吸引和控制演示筒和对比筒，使其都下降到某一深度(距容器底部约83cm以上)，再移开磁铁放开两筒体，可观察到两个筒体均上浮。并且对比筒上浮速度较快，演示筒上浮开始较慢，之后越来越快，直至再次回到液面。

2、不断将两筒体都吸引得更深(但不超过距容器底部约83cm)，可发现从越深的地方开始上浮，演示筒上浮平均速度也越小。

3、用磁铁隔空吸引两筒体，使其都下降到距容器筒底部约83cm左右，放开后可观察到对比筒仍上浮，而演示筒则悬浮于水中几乎不动，一段时间后，演示筒开始缓慢下沉，且下沉速度越来越大，直至沉入容积筒筒底。

4、连续不断地将两筒体都拉至某一深度，超过距容器筒底部约83cm，发现对比筒会一直上浮，而演示筒既出现上浮，也出现下沉，并且越靠近筒底，下沉平均速度越大。

而一般来说，一定质量和体积的物体浸入水中后，上浮或下沉由重力与浮力相对大小决定，重力大于浮力，物体会一直下沉直至水底；重力小于浮力，则物体会一直上浮至水面，上述实验中的对比筒就是如此。但演示筒却沉浮不定，这是由于它们的内部构造不同。为此可通过透明的释疑筒2来进行定性解释。

取释疑筒重复上述实验，将其垂直放入容器中，此时释疑筒的内筒空腔内仅有少量水，释疑筒有少部分露出水面并漂浮，此时释疑筒所受浮力与重力相等，处于力学平衡状态。用磁铁隔空吸引释疑筒，使其向下移动到一定深度，这时释疑筒将完全浸没在水中，其所受浮力大于自身的重力，故释放后会上浮，同时通过透明的柱体管壁，可以看到当透明柱体开始下沉时，外部大筒内的水由于压强增大，开始压缩内筒空腔内的空气，并进入到释疑筒内筒空腔中，

由于水进入内筒空腔，释疑筒排开水的实际体积开始减小，所受浮力也开始减小。水的压强与深度成正比，释疑筒下降越深，压强越大，进入内筒空腔的水量就越多，其所受浮力也越小。但只要释疑筒所受浮力大于重力，在合力作用下它仍会上浮，上浮时深度减小使得水压减小，内筒空腔内被压缩的空气又将水压回大筒中，释疑筒排开水的重量增加，故浮力增大，释疑筒上浮得越来越快。

将释疑筒不断吸引下沉到更深深度，直至某一深度时，释疑筒所受浮力与重力几乎相等，此时释疑筒处于近似的力平衡状态，它开始在水中几乎悬浮不动，这一深度即为释疑筒运动状态改变的临界点。但这种平衡并不稳定，一段时间后，它还是会继续极其缓慢地开始上浮或下沉。

如果将释疑筒吸引到深度超过重力与浮力平衡点的临界深度，此时放开，因进入空腔水过多，浮力小于重力，释疑筒会在合力作用下开始下沉。在下沉过程中，水压持续增大，水不断进入内筒空腔，释疑筒所受浮力持续减小，而重力大小始终未变，此时其所受合力向下，且越来越大，它会以越来越大的速度向筒形容器底部下沉，直至到达筒底，进入空腔的水量也达到最大值，反复多次，将释疑筒吸引到临界点以上，它会上浮，且越来越快；将其吸引到临界点以下，下沉且越来越快。

通过教具演示这种实验后，进行定量探究。

1.沉浮临界点位置的计算。

这个改变释疑筒上浮或下沉运动状态的临界点，也就是其受力的平衡点，即为浮力与重力相等的点，它的大致位置范围可以在定性实验时凭多次实验经验得出，也可以进行定量计算来确定。

释疑筒到达浮沉临界点时处于浮力与重力相等的力平衡状态，此时f浮＝g。

(1)释疑筒所受重力

质量m＝267.0g

所受重力g＝mg＝0.2670kg×9.800n/kg≈2.6166n

(2)释疑筒所受浮力

释疑筒底面外筒外径为r，内筒内径为r，高为h，进入内筒空腔的水高为x，则其所受浮力为：f浮＝ρ水gv排＝ρ水gπr²h-πr²x

释疑筒底面半径r＝0.0250m

内筒内径r＝0.0080m

高h＝0.1393m。

(3)平衡位置情况

平衡时f浮＝g，则f浮＝ρ水gv排＝ρ水g(πr²h-πr²x)＝g代入求算可得：x＝0.0323m＝3.23cm

即当释疑筒内筒空腔水面上升至约3.23cm时，其处于力的平衡状态。但是释疑筒所处的这一平衡随时会被打破，它仍然会随机向上或向下移动，此时释疑筒受力又将不平衡，从而继续上浮或下沉。释疑筒到达力学平衡点从而转换上浮或下沉状态时，进入内筒空腔水，面高度x与下降高度h基本具有一次线性关系。

本实施例投入教学后，通过演示“不合常理”的物理现象引发学生认知冲突，形成其强烈探究热情，通过“对比——设疑——解疑”的过程逐步引导学生从现象到本质、从定性到定量地运用规律解释现象，最终再利用巧妙的装置演示揭密，在一个实验过程中揭示多个物理量互相影响的多因素物理问题。并巧妙运用磁铁移动浸没在液体中的物体，解决了技术难题。