本發(fā)明涉及教學儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種阿基米德定律快速演示儀。

背景技術(shù)：

阿基米德定律是初中物理教學中非常重要的一個知識點。目前，日常教學中用到的浮力原理演示裝置大多與文獻“cn205645042u”中的結(jié)構(gòu)類似，都是在兩個鐵架臺的橫桿上分別吊設(shè)第一彈簧測力計和第二彈簧測力計，在第一彈簧測力計的下方懸吊一個重物，在第二彈簧測力計的下方懸吊一個接水容器，在重物的下方臺面上再放置一個帶溢水孔的盛水容器。

教師在用上述裝置進行課堂演示實驗時，至少需要帶領(lǐng)學生完成以下兩大步驟。

1、演示操作：實驗開始前，先記錄下兩個彈簧測力計所測得的初始數(shù)值，再將重物逐漸浸入盛水容器的水中，受水的浮力作用，在此過程中第一彈簧測力計測得的數(shù)值逐漸變小，重物排開的水從溢水孔排出并被接水容器接住，第二彈簧測力計測得的數(shù)值逐漸變大，當重物受水的浮力作用呈漂浮狀態(tài)且溢水孔無水排出時，演示過程結(jié)束，并記錄下兩個彈簧測力計在此時所測得的數(shù)值（最終數(shù)值）。

2、數(shù)值計算：分別計算出第一彈簧測力計和第二彈簧測力計在演示開始和演示結(jié)束兩個時間點測得數(shù)值的變化量，然后對比兩個數(shù)值變化量的計算結(jié)果，若上述兩個數(shù)值變化量非常接近（若兩個數(shù)值變化量差別較大，則表示實驗失敗，需重頭開始），考慮到實驗誤差的存在，可以認為第一彈簧測力計對應(yīng)的數(shù)值變化量與第二彈簧測力計所對應(yīng)的數(shù)值變化量相等，即重物所受浮力等于其所排開液體的重力。

通過以上描述可知，當前的浮力原理演示裝置存在以下缺點：1、整體結(jié)構(gòu)不夠緊湊。2、原理揭示不夠直觀。3、演示操作開始前和結(jié)束后都需要記錄兩個彈簧測力計測得的數(shù)值，還需要根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來計算、比對浮力與排開液體的重力大小，步驟繁復，耗時較長。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、實驗過程簡短且能直觀揭示浮力原理的阿基米德定律快速演示儀。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種阿基米德定律快速演示儀，包括支架、溢水杯、重物、筒狀結(jié)構(gòu)的接水容器、一根帶指針的彈簧以及用于標記所述指針位置的標記物；

所述支架包括立桿、橫桿以及設(shè)于所述橫桿下方的托圈，所述橫桿及托圈連接于立桿，所述托圈的高度上下可調(diào)；

所述彈簧的上端連接橫桿，所述重物設(shè)于接水容器內(nèi)腔中，所述重物和接水容器均懸吊于彈簧下端，所述托圈托住溢水杯，所述接水容器底端封閉且其殼體側(cè)壁上開設(shè)缺口，所述溢水杯及托圈可經(jīng)缺口放入接水容器內(nèi)腔中并置于重物的正下方。

其中，所述標記物為與彈簧匹配、用來示出彈簧下端拉力值的刻度盤或刻度尺。

或者，所述標記物為一根水平設(shè)置的直桿，所述直桿通過一個十字夾頭連接于立桿，所述直桿的高度上下可調(diào)。

進一步，所述溢水杯的溢水孔連接一根軟膠管，所述軟膠管通過一個夾子控制其排水管路通斷。

或者，所述溢水杯的溢水孔連接一根軟膠管，所述軟膠管的排水端口處設(shè)有一個可拔出的塞子。

優(yōu)選的，所述立桿攻絲并連接一個絲母，所述立桿上套設(shè)有一個連接頭，所述托圈上連接有一根水平設(shè)置的支桿，所述支桿通過連接頭與立桿連接，所述絲母位于連接頭下方，所述連接頭上設(shè)有導向平鍵，所述立桿上豎直開設(shè)有與導向平鍵相匹配的導向鍵槽，旋動所述絲母可推著連接頭往上移動，從而調(diào)整所述托圈的高度。

進一步，所述立桿上還套設(shè)有一個平面軸承，所述平面軸承設(shè)于絲母與連接頭之間，所述平面軸承的上平面墊圈抵靠住連接頭、下平面墊圈抵靠住絲母。

作為一種優(yōu)選的實施方案，所述重物包括一個透明塑料材質(zhì)的1號礦泉水瓶，所述1號礦泉水瓶內(nèi)盛裝有食鹽水且其瓶口通過1號瓶蓋密封。

其中，所述接水容器為一個透明塑料材質(zhì)的2號礦泉水瓶，所述2號礦泉水瓶的側(cè)壁上被挖除一塊，從而形成所述缺口，所述2號礦泉水瓶的瓶口通過2號瓶蓋蓋住。

進一步，所述1號瓶蓋位于2號瓶蓋下方并通過第一繩線與2號瓶蓋連接，所述2號瓶蓋再通過第二繩線連接彈簧的下端。

本發(fā)明提供的阿基米德定律快速演示儀可采用以下方式進行演示操作：首先在溢水杯中裝入水，使溢水杯中液面與溢水孔平齊，再用托圈托住溢水杯并將其從接水容器側(cè)壁的缺口放入接水容器內(nèi)腔中，同時保證溢水杯處在重物的正下方，接著利用標記物標記下指針當前所在的位置，然后沿立桿往上移動托圈和溢水杯（調(diào)高托圈高度），使重物浸入溢水杯的水中處于懸浮狀態(tài)，此時彈簧回縮，指針往上移動，與此同時，被重物排開的水逐漸從溢水孔流出，并被接水容器接住，由于接水容器和重物一起懸吊于彈簧下端，隨著接水容器中接住的水逐漸增多，指針逐漸往下移動，當溢水孔排水結(jié)束后，指針回到初始狀態(tài)時標記物所標記的位置（需要說明的是，在上述操作過程中，重物浸入溢水杯中排開水的速度最好遠大于水從溢水孔流出的速度，否則指針往上移動的幅度非常有限，不便于學生觀察和理解）。

下面再對上述演示過程進行受力分析：重物浸入水中以后，指針往上移動，說明此時彈簧所受往下的拉力變小，也就是說一個與重力方向相反的力作用在重物上（即水的浮力），溢水孔排水結(jié)束后，從溢水孔流出的水都被接水容器接住，指針往下回到初始位置是因接水容器中水的重力間接作用于彈簧下端所致，也就是說此時接水容器中水的重力與水對重物的浮力平衡，即浸入水中的重物所受浮力方向與其重力方向相反（或者說浮力方向垂直向上），浮力大小等于其排開的水的重力。

本發(fā)明的有益效果在于：首先，在本發(fā)明所涉阿基米德定律快速演示儀中，重物、托圈及溢水杯均放置于接水容器的內(nèi)腔中，且其僅用到一個支架、一根彈簧（現(xiàn)有技術(shù)均采用兩個彈簧測力計），故其較現(xiàn)有浮力原理演示裝置在結(jié)構(gòu)上更緊湊、整體體積也更小。其次，在用本發(fā)明進行實驗演示操作的過程中，同一個指針先往上、再往下移動的過程能夠更加直觀地揭示浮力產(chǎn)生的原理，并且無需通過計算就可讓學生清楚地知道浮力方向垂直向上且其大小與排開水的重力相等。此外，在將本發(fā)明用于課堂教學時可以省去演示操作后數(shù)值計算的步驟，使得整個實驗過程更簡短快速，教學效率更高。

附圖說明

圖1為用實施例1中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在初始階段時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖2為用實施例1中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在中間階段時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖3為用實施例1中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在結(jié)束階段時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖4為用實施例2中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在階段一時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖5為用實施例2中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在階段二時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖6為用實施例2中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在階段三時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖7為用實施例2中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在階段四時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖8為用實施例2中的阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作，在階段五時，該阿基米德定律快速演示儀的狀態(tài)示意圖；

圖9為圖1中a部位的局部放大圖；

圖10為圖2中a部位的局部放大圖；

圖11為圖3中a部位的局部放大圖；

圖12為圖4中a部位的局部放大圖；

圖13為圖5中a部位的局部放大圖；

圖14為圖6中a部位的局部放大圖；

圖15為圖7中a部位的局部放大圖；

圖16為圖8中a部位的局部放大圖；

圖中：

1——支架2——溢水杯3——重物

4——接水容器5——彈簧6——標記物

7——連接頭8——平面軸承9——1號瓶蓋

10——2號瓶蓋11——第一繩線12——第二繩線

13——絲母1a——立桿1b——橫桿

1c——托圈2a——軟膠管4a——缺口

1a1——導向鍵槽1c1——支桿。

具體實施方式

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“上”、“下”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實施例與附圖對本發(fā)明作進一步的說明，實施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。

需要提前說明的是，本發(fā)明的2個實施例都是基于以下基礎(chǔ)方案，該基礎(chǔ)方案的結(jié)構(gòu)可以參考圖1-8中任意一幅，在圖1-8中，本發(fā)明所涉阿基米德定律快速演示儀均包括支架1、溢水杯2、重物3、筒狀結(jié)構(gòu)的接水容器4、一根帶指針的彈簧5以及用于標記指針位置的標記物6，溢水杯2的側(cè)壁上開設(shè)有溢水孔；

支架1包括立桿1a、橫桿1b以及設(shè)于橫桿1b下方的托圈1c，橫桿1b及托圈1c連接于立桿1a，托圈1c的高度上下可調(diào)；

彈簧5的上端連接橫桿1b，重物3設(shè)于接水容器4內(nèi)腔中，重物3和接水容器4均懸吊于彈簧5下端，托圈1c托住溢水杯2，接水容器4底端封閉且其殼體側(cè)壁上開設(shè)缺口4a，溢水杯2及托圈1c可經(jīng)缺口4a放入接水容器4內(nèi)腔中并置于重物3的正下方。

實施例1

本實施例所涉阿基米德定律快速演示儀的結(jié)構(gòu)參考圖1-3所示，為簡化表述，本實施例中與基礎(chǔ)方案相同的內(nèi)容略去，不再贅述。

本實施例與基礎(chǔ)方案的不同之處主要包括：標記物6采用了一根水平設(shè)置的直桿，該直桿通過一個十字夾頭連接于立桿1a，直桿的高度上下可調(diào)。對于只需驗證浮力方向與重力方向相反且其大小與排開液體重力相等的實驗（無需知道浮力的具體值），標記物6采用可上下調(diào)整的直桿即可，這樣最大程度地簡化了標記物6的結(jié)構(gòu)，同時也更便于學生觀察。

在本實施例中，立桿1a上攻絲并連接有一個絲母13，立桿1a上還套設(shè)有一個連接頭7，托圈1c上連接有一根水平設(shè)置的支桿1c1，支桿1c1通過連接頭7與立桿1a連接，絲母13位于連接頭7下方，連接頭7上設(shè)有導向平鍵，在立桿1a上豎直開設(shè)有與導向平鍵相匹配的導向鍵槽1a1，旋動絲母13可推著連接頭7往上移動，從而實現(xiàn)調(diào)整托圈1c的高度。通過旋動絲母13推著連接頭7往上移動，進而帶著托圈1c及其托住的溢水杯2往上移動，這樣的設(shè)計可以讓托圈1c及溢水杯2往上移動過程更平穩(wěn)，避免溢水杯2中的水因移動過程抖動而灑出的情況。

進一步地，在立桿1a上還套設(shè)有一個平面軸承8，平面軸承8設(shè)于絲母13與連接頭7之間，平面軸承8的上平面墊圈抵靠住連接頭7、下平面墊圈抵靠住絲母13。在絲母13與連接頭7之間設(shè)置平面軸承8的目的在于降低絲母13與連接頭7之間的摩擦力，使得絲母13轉(zhuǎn)動更順暢。

需要說明的是，為簡化表述，前述立桿1a上的攻絲結(jié)構(gòu)、絲母13及平面軸承8均未在附圖1-3中示出，上述部件的具體結(jié)構(gòu)及其相互之間的位置連接關(guān)系可以參考實施例2中的附圖4-8所示。

作為一種優(yōu)選的實施方案，前述重物3包括一個透明塑料材質(zhì)的1號礦泉水瓶，1號礦泉水瓶內(nèi)盛裝有食鹽水且其瓶口通過1號瓶蓋9密封。接水容器4為一個透明塑料材質(zhì)的2號礦泉水瓶，在2號礦泉水瓶的側(cè)壁上挖除一塊，從而形成缺口4a，2號礦泉水瓶的瓶口通過2號瓶蓋10蓋住。1號瓶蓋9位于2號瓶蓋10下方并通過第一繩線11與2號瓶蓋10連接，2號瓶蓋10再通過第二繩線12連接彈簧5的下端。在該優(yōu)選方案中，重物3為內(nèi)部盛裝食鹽水的1號礦泉水瓶、接水容器4為透明塑料材質(zhì)的2號礦泉水瓶，這樣設(shè)計的好處有：1、食鹽水容易獲得。2、盛裝食鹽水的1號礦泉水瓶平均密度比清水略高，這樣可以讓1號礦泉水瓶浸入水中的排水體積較大，能夠讓指針往上移動幅度更大，更便于觀察。3、透明礦泉水瓶易于獲得，并且其材質(zhì)透明，可以讓1號礦泉水瓶浸入溢水杯2中、溢水杯2排水的過程都直觀可見。

圖1-3和圖9-11示出了用本實施例中的阿基米德定律快速演示儀進行演示操作的過程，為便于表述，將演示操作過程分為初始階段、中間階段及結(jié)束階段，下面分別對上述三個階段作具體描述。

初始階段：阿基米德定律快速演示儀在初始階段的狀態(tài)見圖1所示，在初始階段，溢水杯2處于重物3的下方，溢水杯2中的水位面與溢水孔平齊，從圖9可以看出，此時指針處在與直桿（標記物6）平齊的位置。

中間階段：見圖2所示，旋動絲母13推著溢水杯2往上移動，使得重物3浸入溢水杯2的水中，溢水杯2中液面升高，重物3排開的水從溢水杯2側(cè)壁上的溢水孔流出，并被接水容器4接住，彈簧回縮，指針往上移動，從圖10可以看出，此時指針已移動至直桿的上方。

結(jié)束階段：隨著溢水孔排水的持續(xù)，重物3排開的水全部從溢水孔流至接水容器4中，隨著接水容器4中水量增多，彈簧5所受往下的拉力變大，彈簧5伸長，指針往下移動。參見圖3，排水結(jié)束后，溢水杯2中液面再度與溢水孔平齊，結(jié)合圖11可以看出，此時指針再度回到與直桿平齊的位置。

分析上述三個階段重物3的受力情況可知：重物3浸入水中以后，指針往上移動，說明此時彈簧5所受往下的拉力變小，也就是說一個與重力方向相反的力作用在重物3上（即水的浮力），溢水孔排水結(jié)束后，從溢水孔流出的水都被接水容器4接住，指針往下回到初始位置是因接水容器4中水的重力間接作用于彈簧5下端所致，也就是說此時接水容器4中水的重力與水對重物3的浮力平衡，即浸入水中的重物3所受浮力方向與其重力方向相反（或者說浮力方向垂直向上），浮力大小等于其排開的水的重力。

綜上所述，在本實施例的阿基米德定律快速演示儀中，重物3、托圈1c及溢水杯2均放置于接水容器4的內(nèi)腔中，且其僅用到一個支架1、一根彈簧5（現(xiàn)有技術(shù)均采用兩個彈簧測力計），故其較現(xiàn)有浮力原理演示裝置在結(jié)構(gòu)上更緊湊、整體體積也更小。更加重要的是，在用本實施例所涉阿基米德定律快速演示儀進行實驗演示操作的過程中，同一個指針先往上、再往下移動的過程能夠更加直觀地揭示浮力產(chǎn)生的原理，并且無需通過計算就可讓學生清楚地知道浮力方向垂直向上且其大小與排開水的重力相等。此外，在將上述阿基米德定律快速演示儀用于課堂教學時可以省去演示操作后數(shù)值計算的步驟，從而使得整個實驗過程更簡短快速，教學效率更高。

實施例2

參見圖4-8，實施例2與實施例1的差別主要在于：1、標記物6為與彈簧5匹配、用來示出彈簧5下端拉力值的刻度盤或刻度尺（為簡化表述，圖4-8中并未示出該刻度盤或刻度尺，而是與圖1-3一樣用一根直桿表示標記物6，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當明白，當采用刻度盤或刻度尺作為標記物6后，直桿就不需要了）。2、在溢水杯2的溢水孔處連接一根軟膠管2a，軟膠管2a通過一個夾子（該夾子在附圖中未示出）控制其排水管路通斷，或者在軟膠管2a的排水端口處設(shè)有一個可拔出的塞子。

下面介紹用本實施例中的阿基米德定律快速演示儀進行演示操作的過程，為方便表述，將演示操作過程分為5個階段來進行說明。

階段一：見圖4所示，溢水杯2處于重物3的下方，溢水杯2中的水位面與溢水孔平齊，從圖12可以看出，指針處在“0”刻度位置。實際上，在圖12中，指針處于與直桿平齊的位置，但為便于理解，在本實施例的所有描述中均將直桿看成是刻度盤或刻度尺的“0”刻度位置。

階段二：見圖5所示，旋動絲母13推著溢水杯2往上移動，使得重物3逐漸浸入溢水杯2的水中，溢水杯2中液面升高至溢水孔上方，彈簧回縮，指針往上移動，從圖13可以看出，此時指針已移動至“0”刻度的上方。

階段三：見圖6所示，繼續(xù)旋動絲母13推著溢水杯2往上移動，使得重物3繼續(xù)浸入水中并處于懸浮狀態(tài)，此時溢水杯2中液面在階段二的基礎(chǔ)上再次升高，達到整個演示過程的最高點，彈簧回縮，指針往上移動到整個演示過程的最高點，從圖14可以看出，本階段指針距離“0”刻度的距離相比階段二時更遠。當前指針所指的刻度值即為水對重物的浮力值。

階段四：松開夾住軟膠管2a的夾子，或者拔出軟膠管2a的排水端口處的塞子，見圖7所示，重物3排開的水開始從軟膠管2a排出至接水容器4中，液面逐漸下降，結(jié)合圖15可知，隨著液面下降，彈簧5逐漸被拉伸，指針往下移動。

階段五：隨著排水過程的持續(xù)，重物3排開的水全部從軟膠管2a流至接水容器4中，隨著接水容器4中水量增多，彈簧5所受往下的拉力變大，彈簧5不斷伸長，指針往下移動。參見圖8，排水結(jié)束后，溢水杯2中液面再度與溢水孔平齊，結(jié)合圖16可以看出，此時指針再度回到與“0”刻度的位置。

在上述五個階段中，重物3的受力情況與實施例1類似，不再贅述，需要強調(diào)的是，在本實施例中，通過將實施例1中的直桿（標記物6）更換成刻度盤或刻度尺，同時在溢水孔出連接一根軟膠管2a，并設(shè)置控制軟膠管2a排水的夾子或塞子后，該阿基米德定律快速演示儀可以在實驗過程中直接讀出浮力的大?。▽嵤├?只能知道浮力大小等于重物3排開水的重力，不能確定的得到浮力的具體數(shù)值），而無需再去計算浮力的具體數(shù)值。

最后，需要強調(diào)的是，在本發(fā)明中，標記物6并不限于上述兩個實施例中采用的結(jié)構(gòu)，例如其還可以是通過一根繩子懸吊在橫桿1b下方的鉛墜，用鉛墜的最底端也可以標記出指針的位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當明白，只要其能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)明目的，實際應(yīng)用時完全可以根據(jù)具體的實驗條件進行選擇。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實現(xiàn)方案，除此之外，本發(fā)明還可以其它方式實現(xiàn)，在不脫離本技術(shù)方案構(gòu)思的前提下任何顯而易見的替換均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

為了讓本領(lǐng)域普通技術(shù)人員更方便地理解本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的改進之處，本發(fā)明的一些附圖和描述已經(jīng)被簡化，并且為了清楚起見，本申請文件還省略了一些其它元素，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到這些省略的元素也可構(gòu)成本發(fā)明的內(nèi)容。