一. 介绍

我们可以通过周期性或连续性的物理过程测量时间。在现代原子钟问世之前，人们曾使用如日晷、摆钟和水钟等多种方法来计时。

水钟利用受控的水流来测量时间。在本实验中，您将研究控制水流的物理原理，并将其应用于构建水钟。

二. 实验元器件

实验考试提供如下设备:

1. 水箱A (下水箱, 装有一个水阀和两个孔塞)

2. 水箱B (上水箱, 用于供水，有一个孔塞)

3. 水箱底座

4. 溢水收集箱

5. 两瓶水 (每瓶都是2L装, 照片中没有显示)

6. 虹吸泵

7. 秒表

8. 烧杯

9. 尺子

10. 气泡水平仪

11. 可调节的支架基座

12. 毛巾 (照片中没有显示)

* 这条毛巾也是比赛纪念品，请在考试结束后带走。

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调节支架水平

可调节支架的平板下方有四个螺柱，您可以通过旋转每个螺柱来改变其高度。

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虹吸泵

如果溢水收集箱中积存了大量水，您可以使用虹吸泵将其转移。将直管插入水中，将软管放入水箱/瓶中，然后，横向挤压红色手柄，即可将水转移到水箱/瓶中。

注意事项:

1. 请在开始任何测量前，务必确保水箱处于水平状态，以正确地测量高度。

2. 请定期清空溢水收集箱，以防止装置发生漂浮。

3. 在填写答案纸或做其他实验前，请先擦干双手。

4. 如出现漏水、仪器故障或孔塞丢失，请立即通知监考老师。

三. 实验

A. 通过阀门放水

1. 将可调节支架基座放入溢水收集箱中。

2. 调节支架螺柱，将可调节的支架基座调至水平。

3. 将水箱底座放置在可调节支架基座上。

4. 将水箱A放置在水箱底座上。

水箱A设有三个出水口：一个直径5.0 mm的孔洞、一个直径4.0 mm的孔洞以及一个直径4.0 mm的阀门。

在本部分实验中，我们仅使用阀门。

A1  ^0.50 测量水箱A的内部尺寸。测量水箱的宽度、长度以及高度标记之间的间距。注意：高度标记指示从阀门及孔洞的中心位置开始的距离。

A2  ^1.00 将水箱A注水至5.0 cm的高度。完全打开阀门。重复测量水位从5.0 cm下降到4.0 cm所需的时间，并给出多次测量的不确定度。请使用水箱上的刻度标记来确定高度。

A3  ^1.50 针对至少四个不同的初始水位高度（高于3 cm），重复A.2部分的测量。在较低的初始高度（例如1到3 cm），实验耗时过长。对于每次测量，记录你的实验数据，得出水位从每个高度下降1.0 cm所需的平均时间。

A4  ^1.00 求出水从每个初始高度下降1.0 cm时的平均流速$v_v$。

注意：您可以使用主办方提供的计算器。

A5  ^1.00 假设平均速度满足

$$v_v = C_1 h^x$$
绘制合适的图以确定指数$x$，从你的图表中得到的指数$x$是多少？

请注意，最好使用初始高度和最终高度的中间值来确定指数$x$。

B. 通过孔洞放水

本部分实验，请使用水箱A中直径为4.0 mm的较小孔洞。

并且，应关闭实验A部分所使用的阀门。

B1  ^1.50 对于至少五个不同的初始水位高度h，测量水位下降1.0 cm所需的时间。

B2  ^0.50 确定对于每个初始水位高度，水离开孔洞的平均流速$v_h$。

使用与A.4部分相同的方法。

B3  ^1.00 比较通过阀门的平均流速$v_v$和通过孔洞的平均流速$v_h$。

假设$v_v = C_2 v_h$。

确定常数$C_2$。

C. 构建水钟

使用水箱A和水箱B构建一个水钟。

按如下方式布置水箱：

水箱A（带阀门）放置在下方。
水箱B（带有5.0 mm孔洞）放置在上方。

水箱B向水箱A供水。

水箱A通过完全打开的阀门放水。

为保证稳定运行，水箱B的供水应使水箱A保持满水或维持溢流状态。

C1  ^1.00 设$h_c$为使水箱A保持满水或溢流所需的水箱B孔洞中心上方的最小水位高度。自行设计实验并进行测量。记录你的实验方法、实验数据，并根据实验结果估算$h_c$。

C2  ^1.00 水箱B需要定期重新注水以维持水钟运行。自行设计实验并完成测量。画出你的实验装置图，并写下你测量了什么。

通过实验测定：可以保证水钟的连续运行所需的两次注水之间的最大时间间隔。