验证阿基米德原理的实验教具及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种验证阿基米德原理的实验教具及其使用方法，包括：一个带有容量刻度标记的容器，1‑5个质量已知且各不相同的聚乙烯浮球和一个聚乙烯浮杯，所述浮球包括尾杆、外壳和内芯。使用时，将容器内注入密度为ρ的液体，记录初始体积V0，加入已知质量的浮球，浮球能够漂浮在液体之上，因此其所受到的浮力F浮即等于其自身重力G球，且加入浮球后可直接读取液体体积为V，其排开的体积V排可以从容器刻度读数差上计算而知即V‑V0，所以G排＝ρgV排，通过比较即可验证F浮＝G球＝G排，即阿基米德原理。本发明专利技术结构简单，使用方便，变化多样，即能分别考察密度和体积对浮力的影响，又能激发学生的学习兴趣，加深对知识的理解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种教具。更具体地说，本专利技术涉及一种用在物理课上验证阿基米德原理的实验教具及其使用方法。
技术介绍
阿基米德原理又叫阿基米德定律，即：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。它是由古希腊学者阿基米德所发现的，因此被命名为阿基米德原理。该原理不仅适用于液体，也适用于气体。浮力的大小用计算公式表示，即F浮＝G排＝ρ液(气)gV排。它是力学中的基本原理之一，也是中学物理课程中的重要内容。在中学课程中教师向学生教授该原理时，应该配合简单的验证实验以使学生能更直观深刻地体会。现有的阿基米德原理验证实验，通常都包括两个弹簧秤和溢水装置和接水装置，如图1所示，包括第一弹簧秤6，其下连接重物3，重物下方有溢水装置4，第二弹簧秤5下连接水桶7，实验时，分别记录第一弹簧秤6和第二弹簧秤5的的初始读数F1和F2，将溢水杯4升高使重物3浸入水中，水位上升溢流入水桶7中，记录第一弹簧秤6和第二弹簧秤5的读数F3和F4，计算F浮＝F1-F3，G排＝F4-F2，而得出F浮＝G排，从而验证了阿基米德原理。该实验虽然能直观地展现阿基米德原理，但因为要使用两个弹簧秤、溢流装置和承接水的容器，实验器具多，操作复杂，步骤繁琐，浪费时间。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种验证阿基米德原理的实验教具，其能够直观简单地展示出阿基米德原理。本专利技术还有一个目的是通过验证阿基米德原理的实验教具的使用方法，使学生能够直观地体会影响阿基米德原理的因素，并通过此试验方法得到的实验数据验证各因素对浮力的影响效果。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种验证阿基米德原理的实验教具，包括：容器，所述容器为圆柱形，其上设有容量刻度标记，所述容器采用无色透明有机玻璃制造，透光率为93％-96％；浮球，所述浮球包括尾杆、外壳和内芯，所述外壳采用高密度聚乙烯塑料制成，形状为球形，所述高密度聚乙烯塑料密度约为0.95-0.96g/cm3，所述内芯为不锈钢球，所述浮球数量1-5个，分别为第一浮球、第二浮球、……第五浮球，所述浮球质量已知且各不相同；浮杯，所述浮杯采用中密度聚乙烯塑料制成，所述中密度聚乙烯塑料密度为0.93-0.94g/cm3，其上含有一个立杆。优选的是，其中，所述容器横截面内半径应为4-4.5cm，最大容量为100-500ml，最小刻度为10ml，所述浮球半径为3cm，质量分别为m1＝20g、m2＝40g、m3＝60g、m4＝80g和m5＝100g。优选的是，其中，所述容器刻度采用有色颜料标记。优选的是，其中，所述浮球壁厚3-5mm，尾杆3-7cm。优选的是，其中，所述浮球为彩色，表面光滑。优选的是，其中，所述浮球外壳上采用模压方法标记浮球的总质量。优选的是，其中，所述浮杯为圆柱形空心杯，杯底中心有一立杆，长约5-7cm。本专利技术的目的还可以进一步由验证阿基米德原理的实验教具的使用方法来实现，该方法包括：步骤一：室温下，向所述容器中加入清水，体积约为所述容器最大容量的1/3-1/2，记录刻度读数，即V0；步骤二：向所述容器内放入所述浮球1，待液面稳定，记录刻度读数，即V1；取出浮球，重新调整液面到V0，再放入所述浮球2，待液面稳定，记录刻度读数，即V2；依次分别放入所述浮球3、浮球4和浮球5，待液面稳定后分别记录刻度读数，即V3、V4和V5；每次取出浮球时，均需调整液面至初始刻度；步骤三：计算，以浮球1为例，因为浮球在水中漂浮，因此浮球所受到的浮力等于其自身的重力，即F浮1＝m1g，而浮球1所排开的水的体积即为浮球1放入水中前后两次刻度读数的差，即V排1＝V1-V0，因此G排1＝ρ水gV排1，比较F浮1和G排1，发现F浮1＝G排1，依次计算浮球2-浮球5的F浮和G排，比较验证F浮＝G排，则阿基米德原理得到验证；步骤四：体会，将所述浮杯放入容器中，浮杯漂浮，用手向下按压所述立杆，浮杯浸入的体积增大，液面上升，按压用力越大，液面上升越高，手所感受到的向上的力越明显；步骤五：改变所述容器中液体的密度，重新进行步骤1-步骤四的实验，对比同一浮球在不同密度的液体中漂浮时所排开的体积的差别。优选的是，其中，步骤四中，可以向所述浮杯中添加重物或注入液体，观察添加量的增加导致的液面的变化，所添加的重物可以是石块、铁块或者已知质量的砝码，注入液体可以采用直接倾倒或者用注射器注射等方法。优选的是，其中，步骤五中，改变所述容器中的液体的密度，可以采用向液体中加入易溶解且溶解时放热少的物质如食盐，也可以直接将液体换成酒精、白醋等进行实验。本专利技术至少包括以下有益效果：由于采用已知质量的浮球投入水中保持漂浮状态，因此能够确定浮球的所受到的浮力即等于其自身重力；由于容器设有容积刻度，因此能够通过刻度读数计算差值从而直接确定其中的物体所排开的液体的体积，从而直接计算浸入液体中的物体排开的液体的重力；由于浮杯上设有立杆，因此可以方便用手按压浮杯或取放浮杯；由于浮球为聚乙烯塑料制成的球形，且包括不锈钢内芯以及尾杆，因此能够使浮球能够浸入水中一定的深度，还能漂浮在水上，而尾杆能方便浮球的取放；由于容器采用高透光率无色透明有机玻璃制造，因此能够使实验者清楚地观察到其内部实验对象的状态；由于浮球采用高密度聚乙烯塑料制成，因此浮球本身的渗水性差，不会悬挂液珠或吸收液体；由于浮杯采用中密度聚乙烯塑料制成，因此能在满足自身功用的前提下降低生产成本；由于容器的容量、横截面内半径和最小刻度以及浮球的半径和质量，因此能够使浮球能够投入到容器内漂浮在水中，且四周具有合适的自由空隙，浮球的质量不同导致所排开水的体积也不同；由于容器上刻度采用有色颜料标记，因此能够使容器壁透明而刻度明显，有益于实验者进行观察，而树脂材料可以避免容器轻易破碎；由于所述浮球壁厚3-5mm，尾杆3-7cm，因此能够保证浮球具有一定的强度和耐磨性，不易损坏，而尾杆的长度方便实验者取放浮球；由于所述浮球为彩色，表面光滑，因此方便实验者观察实验，且将浮球取出水面时不易在其表面残留水珠；由于所述浮球外壳上采用模压方法标记浮球的总质量，因此浮球质量标记清洗耐磨不易去除；由于所述浮杯为圆柱形空心杯，杯底中心有一立杆，长约5-7cm，因此能够加载重量后仍漂浮在水中，且立杆方便实验者取放浮杯；由于实验方法采用依次改变V排和ρ液的方法，研究浮力的大小，因此能够使实验者科学地总结出影响浮力大小的因素；由于步骤四中，可以向所述浮杯中添加重物或注入液体，观察添加量的增加导致的液面的变化，所添加的重物可以是石块、铁块或者已知质量的砝码，注入液体可以采用直接倾倒或者用注射器注射等方法，因此能够使实验者通过不同方法体会F浮和V排的关系；由于步骤五中，改变所述容器中的液体的密度，可以采用向液体中加入易溶解且溶解时放热少的物质如食盐，也可以直接将液体换成酒精、白醋等进行实验，因此能够使实验者体会F浮和ρ液的关系。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为现有技术的一个实施例中实验器具的结构示意图；图2为本专利技术的一个实施例中验证阿基米德原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，包括：容器，所述容器为圆柱形，其上设有容量刻度标记，所述容器采用无色透明有机玻璃制造，透光率为93％‑96％；浮球，所述浮球包括尾杆、外壳和内芯，所述外壳采用高密度聚乙烯塑料制成，形状为球形，所述高密度聚乙烯塑料密度约为0.95‑0.96g/cm3，所述内芯为不锈钢球，所述浮球数量1‑5个，分别为第一浮球、第二浮球、……第五浮球，所述浮球质量已知且各不相同；浮杯，所述浮杯采用中密度聚乙烯塑料制成，所述中密度聚乙烯塑料密度为0.93‑0.94g/cm3，其上含有一个立杆。

【技术特征摘要】
1.一种验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，包括：容器，所述容器为圆柱形，其上设有容量刻度标记，所述容器采用无色透明有机玻璃制造，透光率为93％-96％；浮球，所述浮球包括尾杆、外壳和内芯，所述外壳采用高密度聚乙烯塑料制成，形状为球形，所述高密度聚乙烯塑料密度约为0.95-0.96g/cm3，所述内芯为不锈钢球，所述浮球数量1-5个，分别为第一浮球、第二浮球、……第五浮球，所述浮球质量已知且各不相同；浮杯，所述浮杯采用中密度聚乙烯塑料制成，所述中密度聚乙烯塑料密度为0.93-0.94g/cm3，其上含有一个立杆。2.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述容器横截面内半径应为4-4.5cm，最大容量为100-500ml，最小刻度为10ml，所述浮球半径为3cm，质量分别为m1＝20g、m2＝40g、m3＝60g、m4＝80g和m5＝100g。3.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述容器刻度采用有色颜料标记。4.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述浮球壁厚3-5mm，尾杆3-7cm。5.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述浮球为彩色，表面光滑。6.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述浮球外壳上采用模压方法标记浮球的总质量。7.如权利要求1所述的验证阿基米德原理的实验教具，其特征在于，所述浮杯为圆柱形空心杯，杯底中心有一立杆，长约5-7cm。8.如权利要求1-7任选一项所述的验证阿基米德原理的实验教具的使用方法，包括以下步骤：步骤一：室温下，向所述容器中加...

【专利技术属性】
技术研发人员：万志均，潘远华，李国会，
申请(专利权)人：神农架林区实验小学，
类型：发明
国别省市：湖北;42