[發明專利]一種液體環境下物體超重實驗教具及實驗方法與應用

在審

• 申請號: 201710548960.5
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107331252A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 陳洪云
• 申請（專利權）人: 天津師范大學
• 主分類號: G09B23/08
• 分類號: G09B23/08
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司12207
• 代理人: 朱紅星

技術領域

本發明屬于實驗教學用儀器研究技術領域，涉及一種液體環境下物體超重實驗教具及測定方法與應用。

背景技術

超重和失重”是高中物理必修內容之一。高中物理課程標準對于超重和失重現象的教學提出了明確的要求，即：“通過實驗認識超重和失重現象”，使學生“ 會用牛頓運動定律解釋產生超重和失重的原因”。生活中常見的超重、失重現象多發生在大氣環境下，物體沿豎直方向加速上行、減速下行的過程中。例如人在乘電梯時，電梯升、降過程中的超重、失重，人在蹲起運動時的超重、失重實驗等等。在習題中常將氣體環境中的超重現象遷移到液體環境下物體的超重現象。例如：“用繩子將小木球固定在液體底部，當用剪刀將繩子剪斷，小球上浮過程中判斷小木球對于水的壓力大小”，這樣的習題學生由于缺乏感性認識，很難做出正確的解答。因此，設計在液體中物體的超重實驗，定量演示和分析液體中物體超重時，物體對于液體的壓力大小變化，有助于學生理解超重現象的本質。

由于液體環境下物體的超重發生在物體加速上行過程中，一方面，測力工具無法直接測量加速運動物體對于液體的壓力大小，第二方面，超重現象發生在不到一秒之內的瞬間過程。第三，在液體內剪斷繩索會干擾實驗裝置對于下面支撐物的壓力的測定，因此在以上問題得到有效解決之前，定量測量液體內物體超重現象的實驗停留在理論分析階段。隨著數字化實驗手段的發展，實現了瞬間發生的物理現象的高頻數據采集，為液體環境下超重實驗問題的解決帶來契機。

發明內容

本發明人設計的液體環境下物體超重實驗方法和實驗教具，解決了密度較小的物體在液體內的固定后釋放不便問題。所采用的方法包括：通過控制浮力產生的條件和物體浮沉條件，控制物體在液體中的運動狀態。通過調整儲液桶上下的空間大小，調整物體被釋放且產生加速運動的延時控制。在液體中物體的浮力產生前，小球在液體下靜止，當液體對小球上下表面壓力之合力向上，即浮力產生后，物體由靜止狀態開始向上加速運動。可以根據學生觀察需要，調節漏斗下部空間大小，改變小球釋放所需延遲時間。依據此方法設計了液體環境下物體失重實驗教具。該控制液體中物體運動狀態的方法簡單、易于學生理解，實驗教具便于學生操作和觀察。將該教具與計算機、傳感器設備相結合，用傳感器將液體環境下的物體超重時的壓力，轉化為教具對于測力平臺的壓力測量，間接得到運動小球加速上行時對于液體的壓力，使得定量研究液體環境下的物體超重現象成為現實。

為實現上述目的，本發明公開了如下的技術內容：

一種液體環境下物體超重實驗教具，其特征在于它包括帶刻度的透明儲液圓桶、密封膠環、透明漏斗、空心硬質塑料球；其中透明漏斗4下端口邊緣左右各有一個缺口5，透明漏斗擴口部分與密封膠環3內徑粘合固定后外徑與帶刻度的儲液圓桶1內徑吻合，透明漏斗下口直徑略小于小球（空心硬質塑料球，以下同）6的內徑，實驗時透明漏斗4放入帶刻度的儲液圓桶內可上下調節，小球放在漏斗內。

本發明所述的液體環境下物體超重實驗教具，透明漏斗在帶刻度儲液圓桶內部的位置與密封膠環3一起可上下調節。其目的在于通過調節漏斗在圓桶中的位置，改變漏斗下方的空間，實現延遲或加快小球從靜止轉變為加速運動的時間控制。透明漏斗下端口前后有缺口，其目的在于兩方面。其一，在向儲液桶注水后，液體通過缺口流向桶底，使得桶下端液面上升，小球下表面于下液面其目的在于通過調節漏斗在圓桶中的位置，改變漏斗下方水位，使其水位逐漸升高；其二是當漏斗下方的水位升高后，與小球下表面空間氣體壓強變大，會影響液體流速。缺口的作用是該空間的氣體壓強增大時，可以通過該缺口排出氣體減小小球下部空間壓強，使得小球的下方水位升高時接觸水面，實現利用將小球從靜止狀態向上加速上行的目的。儲液圓筒的材質為透明玻璃或有機玻璃材質，其目的在于方便學生觀察液體內部小球的運動狀態。所述的小球為表面光滑的空心硬質塑料球。小球表面光滑其目的在于減小小球在液體過程中摩擦力使小球向上合力較大，產生較大的加速度，超重現象明顯。采用帶顏色的小球是為了在實驗過程中使學生清晰地觀察到運動小球。

本發明進一步公開了采用液體環境下物體超重實驗教具進行實驗的方法，其特征在于，利用物體浮沉條件和浮力產生的條件，控制液體中物體的靜止和加速運動，且要與計算機、采集器、帶傳感器的測力平臺配合使用，實現液體中物體的超重現象發生時物體對于液體壓力的測量；包括

（1）利用浮力產生的條件和浮沉條件，使液體中的物體從靜止狀態轉化為加速上行，發生超重現象。