本發(fā)明屬于實驗教學(xué)用儀器研究技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種液體環(huán)境下物體超重實驗教具及測定方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

超重和失重”是高中物理必修內(nèi)容之一。高中物理課程標準對于超重和失重現(xiàn)象的教學(xué)提出了明確的要求，即：“通過實驗認識超重和失重現(xiàn)象”，使學(xué)生“會用牛頓運動定律解釋產(chǎn)生超重和失重的原因”。生活中常見的超重、失重現(xiàn)象多發(fā)生在大氣環(huán)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(huán)境中的超重現(xiàn)象遷移到液體環(huán)境下物體的超重現(xiàn)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?qū)τ谒膲毫Υ笮　?，這樣的習題學(xué)生由于缺乏感性認識，很難做出正確的解答。因此，設(shè)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(xué)生理解超重現(xiàn)象的本質(zhì)。

由于液體環(huán)境下物體的超重發(fā)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(xiàn)象發(fā)生在不到一秒之內(nèi)的瞬間過程。第三，在液體內(nèi)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(nèi)物體超重現(xiàn)象的實驗停留在理論分析階段。隨著數(shù)字化實驗手段的發(fā)展，實現(xiàn)了瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象的高頻數(shù)據(jù)采集，為液體環(huán)境下超重實驗問題的解決帶來契機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明人設(shè)計的液體環(huán)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(nèi)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(chǎn)生的條件和物體浮沉條件，控制物體在液體中的運動狀態(tài)。通過調(diào)整儲液桶上下的空間大小，調(diào)整物體被釋放且產(chǎn)生加速運動的延時控制。在液體中物體的浮力產(chǎn)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(chǎn)生后，物體由靜止狀態(tài)開始向上加速運動。可以根據(jù)學(xué)生觀察需要，調(diào)節(jié)漏斗下部空間大小，改變小球釋放所需延遲時間。依據(jù)此方法設(shè)計了液體環(huán)境下物體失重實驗教具。該控制液體中物體運動狀態(tài)的方法簡單、易于學(xué)生理解，實驗教具便于學(xué)生操作和觀察。將該教具與計算機、傳感器設(shè)備相結(jié)合，用傳感器將液體環(huán)境下的物體超重時的壓力，轉(zhuǎn)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(huán)境下的物體超重現(xiàn)象成為現(xiàn)實。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下的技術(shù)內(nèi)容：

一種液體環(huán)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(huán)、透明漏斗、空心硬質(zhì)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(huán)3內(nèi)徑粘合固定后外徑與帶刻度的儲液圓桶1內(nèi)徑吻合，透明漏斗下口直徑略小于小球（空心硬質(zhì)塑料球，以下同）6的內(nèi)徑，實驗時透明漏斗4放入帶刻度的儲液圓桶內(nèi)可上下調(diào)節(jié)，小球放在漏斗內(nèi)。

本發(fā)明所述的液體環(huán)境下物體超重實驗教具，透明漏斗在帶刻度儲液圓桶內(nèi)部的位置與密封膠環(huán)3一起可上下調(diào)節(jié)。其目的在于通過調(diào)節(jié)漏斗在圓桶中的位置，改變漏斗下方的空間，實現(xiàn)延遲或加快小球從靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀龠\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(diào)節(jié)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(xiàn)利用將小球從靜止狀態(tài)向上加速上行的目的。儲液圓筒的材質(zhì)為透明玻璃或有機玻璃材質(zhì)，其目的在于方便學(xué)生觀察液體內(nèi)部小球的運動狀態(tài)。所述的小球為表面光滑的空心硬質(zhì)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(chǎn)生較大的加速度，超重現(xiàn)象明顯。采用帶顏色的小球是為了在實驗過程中使學(xué)生清晰地觀察到運動小球。

本發(fā)明進一步公開了采用液體環(huán)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(chǎn)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(xiàn)液體中物體的超重現(xiàn)象發(fā)生時物體對于液體壓力的測量；包括

（1）利用浮力產(chǎn)生的條件和浮沉條件，使液體中的物體從靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為加速上行，發(fā)生超重現(xiàn)象。

（2）通過儲液桶上、下空間，來控制物體何時靜止轉(zhuǎn)化為加速上行的時間長短。運動狀態(tài)切換可以人為控制，但又不干擾數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)象觀察。

1）數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)課堂上學(xué)生觀察需要調(diào)節(jié)透明漏斗在帶刻度的儲液圓桶中位置，將小球放在裝置內(nèi)的漏斗里，然后將實驗教具放到帶傳感器的測力平臺上；

2）向帶刻度的透明儲液圓桶內(nèi)注入清水，注水過程和注水結(jié)束后一段時間內(nèi)，小球在重力，上表面受到向下的壓力和透明漏斗下端口給予小球向上的支持力作用下受力平衡，可以觀察到小球在液體底部保持靜止狀態(tài)；

3）觀察清水經(jīng)透明漏斗下口間隙緩緩流向圓桶底部，且水位逐漸升高接近小球下表面時小球仍靜止不動，向裝置注水結(jié)束后傳感器測到的實驗裝置對于測力平臺的壓力大小不變。當液體中小球下表面全部浸入水面后，小球下表面受到液體向上的壓力，大于小球上表面受到的向下的壓力與小球重力之和，此時浮力產(chǎn)生，小球開始由靜止向上加速運動，此時小球在液體環(huán)境下出現(xiàn)超重現(xiàn)象；

4）液體環(huán)境下小球超重出現(xiàn)時，力傳感器開始將采集的壓力數(shù)據(jù)并送入計算機，同時在計算機上以f-t圖像形式顯示豎直方向壓力大小發(fā)生變化。

本發(fā)明更進一步公開了采用液體環(huán)境下物體超重實驗教具，實驗的方法在用于教學(xué)定量演示液體環(huán)境下物體的超重現(xiàn)象方面的應(yīng)用。實驗結(jié)果顯示：利用帶傳感器的壓力平臺與公開的液體環(huán)境下物體超重實驗教具結(jié)合，能定量研究在液體環(huán)境下物體的超重現(xiàn)象，可作為教學(xué)實驗，定量演示液體環(huán)境下物體的超重現(xiàn)象，分析液體中物體產(chǎn)生超重的原因，很好的解決了學(xué)生缺乏液體中物體超重實驗缺乏的問題。

本發(fā)明更加詳細的描述如下：

本發(fā)明為一種液體環(huán)境下物體超重現(xiàn)象實驗教具和實驗方法。本教具與帶傳感器的測力平臺配合使用，可以穩(wěn)定實現(xiàn)液體中小球從靜止狀態(tài)到加速運動狀態(tài)，實現(xiàn)液環(huán)境下物體的超重現(xiàn)象發(fā)生。并通過調(diào)節(jié)教具中漏斗位置，改變?nèi)萜魃舷驴臻g大小，實現(xiàn)延遲或加快小球釋放的時間。

1、實驗裝置的詳細描述：一個帶長度刻度尺的透明圓桶，一個能放入圓桶內(nèi)觀察其運動情況的帶顏色小球。一個能與圓桶分離的透明漏斗，與透明膠墊內(nèi)徑粘連固定后外徑與圓桶內(nèi)徑吻合。漏斗下口直徑略小于小球內(nèi)徑。可以在實驗時將漏斗放入圓通內(nèi)，根據(jù)實驗要求將漏斗在圓桶中的上下位置調(diào)節(jié)好。將小球放在裝置內(nèi)，小球停留在漏斗下口。

發(fā)明裝置放到帶傳感器的測力平臺上，將測力平臺通過采集器與計算機連接，接通電源，打開計算機運行采集軟件，傳感器進行數(shù)據(jù)采集。

2、實驗方法的詳細描述：

1）將清水（或其它液體）注入發(fā)明裝置的圓桶內(nèi)，此時小球上表面受到大氣壓力和水給予的向下的壓力，而下表面因未浸入液體只受大氣壓力。忽略氣體壓力，小球在向下的重力和液體壓力與漏斗下端口給予的小球向上的支持力作用下受力平衡，保持靜止狀態(tài)。

2）向桶內(nèi)緩緩注水至容器將滿，可使容器瓶內(nèi)小球仍靜止在透明漏斗（2）的下口。水經(jīng)透明漏斗（2）下口間隙緩緩流向圓筒底部，且水位逐漸升高接近小球下表面時小球靜止不動。當液體中小球下表面全部浸入水面后，液體通過漏斗缺口處上下兩部分液體融為一體，小球下表面受到向上的壓力大于小球上表面受到的向下的壓力，產(chǎn)生浮力。此時小球向上的浮力大于向下的重力，使得小球開始向上方加速運動。此時小球在液體環(huán)境下產(chǎn)生超重現(xiàn)象。這就是利用浮力產(chǎn)生原理，不加任何外力干擾，使物體改變運動狀態(tài)的實驗方法。

3）如果想改變物體在液體下靜止的時間長短，可以采用調(diào)節(jié)漏斗在圓桶中的位置高低的方法實現(xiàn)。使圓桶上部液體通過漏斗下口向下流動的流速不變的情況下，增大下腔空間，延長小球靜止時間，實現(xiàn)小球由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀龠\動時間的有效控制。

4）此時運行的力傳感器會將超重過程的裝置壓力采集到計算機，可以通過豎直方向的f-t圖像的形式顯示于屏幕，便于學(xué)生將超重發(fā)生時的壓力數(shù)據(jù)與靜止在液體中時的壓力數(shù)據(jù)對比，找到超重發(fā)生時的壓力變化特點。也可以用智能工具測量出超重發(fā)生時的壓力大小，計算出小球運動加速度。

本發(fā)明公開的采用液體環(huán)境下物體超重實驗教具進行實驗方法的創(chuàng)新之處在于：

第一，利用液體中物體浮力產(chǎn)生的原因和物體浮沉條件的方法，實現(xiàn)物體運動狀態(tài)從靜止到加速運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。其目的不加人為操作，利用自然現(xiàn)象實現(xiàn)液體中物體由靜止到加速運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，方法簡單、不加任何外力干擾。

第二，利用將液體內(nèi)物體對液體壓力測量，轉(zhuǎn)化為對液體容器裝置對于下面支撐平臺壓力的測量。根據(jù)牛頓第三定律得到小球?qū)σ后w的壓力大小，其目的在于將不可直接測量的壓力轉(zhuǎn)化為可以間接測量。

第三，利用漏斗在圓通內(nèi)所處位置的高低，控制處于液體環(huán)境下的小球上浮和靜止時間段的長短。當小球向上浮力產(chǎn)生前，小球靜止，小球向上的浮力產(chǎn)生且大于重力時，開始加速上浮，產(chǎn)生超重過程。其目的在于課堂演示時，使學(xué)生對小球靜止和加速上行兩種不同的運動狀態(tài)的觀察，與超重發(fā)生前后，傳感器測得的壓力大小詳細觀察和比較，理解超重的本質(zhì)。

附圖說明

圖1為液體環(huán)境下物體超重實驗教具結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2利用2—axisforceplatfre采集的時間—壓力圖像；

圖3為液體超重失重實驗裝置；

其中：

1、帶刻度的儲液圓桶2、儲液圓桶的刻度3、密封膠環(huán)

4、透明漏斗5、下端口邊緣的缺口6、空心硬質(zhì)塑料球。

具體實施方式

下面通過具體的實施方案敘述本發(fā)明。除非特別說明，本發(fā)明中所用的技術(shù)手段均為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方法。另外，實施方案應(yīng)理解為說明性的，而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的實質(zhì)和范圍僅由權(quán)利要求書所限定。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的前提下，對這些實施方案中的物料成分和用量，以及顏色進行的各種改變或改動也屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明所用原料及儀器有市售。

實施例1

一種液體環(huán)境下物體超重實驗教具，其特征在于它包括帶刻度2的儲液圓桶、密封膠環(huán)、透明漏斗、小球；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(huán)3內(nèi)徑粘連固定后外徑與帶刻度的儲液圓桶1內(nèi)徑吻合，透明漏斗下口直徑略小于小球6內(nèi)徑，實驗時透明漏斗4放入帶刻度2的液圓桶內(nèi)，小球放在帶刻度的儲液圓桶內(nèi)。其中透明漏斗在帶刻度儲液圓桶內(nèi)部的位置與密封膠環(huán)3一起可上下調(diào)節(jié)。儲液圓筒的材質(zhì)為透明玻璃或有機玻璃材質(zhì)。所述的小球6為表面光滑的帶顏色空心塑料球。

實施例2

采用液體環(huán)境下物體超重實驗教具進行實驗的方法，其特征在于，利用浮力產(chǎn)生條件和物體浮沉條件，實現(xiàn)物體的靜止和加速運動的轉(zhuǎn)換和控制；實驗要與計算機、采集器、帶傳感器的測力平臺配合使用；包括

（1）利用浮力使液體中的物體加速上行，發(fā)生超重現(xiàn)象。

（2）利用在液體中物體的上、下表面液體壓力差形成的時間長短，來控制物體由靜止轉(zhuǎn)化為加速上行的時間長短。運動狀態(tài)切換可以人為控制，但又不干擾數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)象觀察。

3）數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)課堂觀察需要調(diào)節(jié)透明漏斗在帶刻度的儲液圓桶中位置，將小球放在裝置內(nèi)的漏斗里，然后將實驗教具放到帶傳感器的測力平臺上；

4）然后向帶刻度的儲液圓桶內(nèi)注入清水，使得小球上表面受到水給予的向下的壓力和小球本身重力合力向下，與透明漏斗下端口給予小球向上的支持力平衡，可以觀察到小球在液體底部保持靜止狀態(tài)；

3）觀察清水經(jīng)透明漏斗下口間隙緩緩流向圓桶底部，且水位逐漸升高接近小球下表面時小球靜止不動，當液體中小球下表面全部浸入水面后，小球下表面受到向上的壓力，大于小球上表面受到的向下的壓力與小球重力之和，浮力產(chǎn)生，小球開始向上加速運動，此時小球在液體環(huán)境下出現(xiàn)超重現(xiàn)象；

4）液體環(huán)境下小球超重出現(xiàn)時，力傳感器開始將采集數(shù)據(jù)并送入計算機，同時在計算機上以f-t圖像形式顯示豎直方向壓力大小和方向的變化。

實施例3

實驗?zāi)康?/p>

（1）觀察液體環(huán)境中物體的超重現(xiàn)象。

（2）感受超重發(fā)生時物體對于下方支持物的壓力變化。

（3）用牛頓第二定律、第三定律定量分析物體超重現(xiàn)象的本質(zhì)。

實驗器具

實驗儀器：pasco公司的xplorerglx數(shù)據(jù)采集器一臺、

2—axisforceplatfore（二維力平臺）一臺、

一臺計算機、黃色乒乓球一只、自制實驗裝置

實驗原理

（4）根據(jù)液體內(nèi)部壓強公式：可知，將均勻物體浸在液體內(nèi)部，如果物體上、下表面積皆為s，且分別處在液面下h1、h2的深度時，則物體受到的浮力大小其中為液體的密度，浮力的方向向上。

（5）根據(jù)牛頓第二定律當物體質(zhì)量m一定，物體加速度a大小與合外力f成正比，加速度的方向與合外力方向相同。

（6）根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩個物體間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，且作用在同一條直線上。

實驗步驟

首先將乒乓球放入裝置的漏斗中，再將自制裝置裝置放到2—axisforceplatfore上，將計算機、采集器和傳感器用數(shù)據(jù)線連接，接通電源。

打開應(yīng)用軟件datastudio，點擊“設(shè)置”標簽，將采樣速率設(shè)置為2000hz。用鼠標點擊datastudio軟件上的運行按鈕，傳感器開始將采集數(shù)據(jù)并送入計算機。此時在“數(shù)據(jù)”欄目下出現(xiàn)“運行#1”實驗名稱，拖動“圖像”圖標放置到“法向力”上，以圖像形式顯示豎直方向受到壓力的大小和方向。

向水桶緩緩注入清水，至容器將滿時停止注水，此時漏斗內(nèi)小球任然處于靜止狀態(tài)。此時觀察計算機屏幕顯示裝置對測力平臺的壓力向下，大小為18.38n。觀察自制實驗裝置內(nèi)小球與水的情況，且看到水從小球從漏斗缺口隙緩緩流向下方的桶底。在漏斗下方的水位逐漸升高接近乒乓球下表面前，小球依舊在漏斗頸部靜止不動。傳感器采集到壓力數(shù)據(jù)也不變。當水位上升至小球底部全部浸入水中后，小球幾乎在瞬間向上方彈起直至跳出水面。該階段是小球由靜止開始加速運動的發(fā)生超重現(xiàn)象的階段。觀察長安器采集到的壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)壓力逐漸變大，且遠大于小球靜止時的壓力大小。達到最高點后小球又落回水面，點擊停止采集按鈕，借書數(shù)據(jù)采集。

實驗數(shù)據(jù)分析

用天平稱量小球質(zhì)量為2.54g，用游標卡尺測量球的直徑為4.00cm，計算小球密度為75.84kg/m³，遠遠小于水的密度1000kg/m³，根據(jù)浮沉條件可以判斷，小球體積完全浸在水中時會向上浮起。

利用datastudio軟件采集的實驗過程中的自制裝置對于測力平臺的f-t圖像見圖2所示。用軟件自帶的智能測量工具，可以測得圖像中每一點的壓力大小和采集時間。可見：向裝置內(nèi)注水結(jié)束后至小球被彈起前，實驗裝置對于測力平臺的的壓力大小穩(wěn)定在18.38n不變，小球在9.980秒被彈起，到10.156秒彈出水面，在的，小球在水中上升15cm距離，自制實驗裝置對于測力平臺的壓力，也在0.076秒內(nèi)從18.38n逐漸增大到20.49n，壓力大于裝置放入重力。

經(jīng)過液體壓強的傳遞原理和牛頓第三定律得知，該時間段內(nèi)測力平臺測得的壓力增大部分，來源于加速運動的小球?qū)τ谝后w的壓力增大，也就是超重過程中小球?qū)τ谘b置內(nèi)液體的壓力增大。

結(jié)論：該實驗教具與計算機、采集器、帶傳感器的測力平臺進行配合，通過實驗?zāi)軌蚨繙y量出液體中物體加速運動過程中的壓力大小，證明了液體中的物體發(fā)生超重現(xiàn)象存在，原因是物體與液體間的壓力增大，使物體合外力產(chǎn)生向上，產(chǎn)生向上的加速運動。

由于目前從論文檢索和發(fā)明專利和實用新型專利檢索，均未見到演示、測定液體環(huán)境下物體超重實驗的記錄，因此該實驗教具和方法的發(fā)明，具有創(chuàng)新性。