10個(gè)物理演示實(shí)驗(yàn)的原理及現(xiàn)象

1.5競(jìng)速軌道（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄课矬w運(yùn)動(dòng)時(shí)速度、時(shí)間與路程之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理如果兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的位移相等，但其中一個(gè)物體是勻速直線運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有加速也有減速，它們的路程與速度不同，它們運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不同。操作與現(xiàn)象同時(shí)釋放兩個(gè)實(shí)心鋼球通過(guò)同樣高度、同樣斜率的斜面滾到A、B兩條軌道上，其中A軌道是平直的，B軌道先是平直的，然后凹陷下去，再平直一段距離，接著有爬升上來(lái)與A軌道同一高度，觀察兩個(gè)球到達(dá)軌道末端的時(shí)間，B軌道鋼球先到達(dá)軌道末端。注意事項(xiàng)兩球要同時(shí)從起點(diǎn)處下落；實(shí)驗(yàn)完畢及時(shí)將小球收到網(wǎng)袋里。思考題1、如果凹陷的部分沒(méi)有平直的一段距離，兩球會(huì)同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)嗎？2、鋼球的輕重對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎？1.6競(jìng)速軌道（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄课矬w運(yùn)動(dòng)快慢的幾個(gè)因素。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)儀器照片1.1實(shí)驗(yàn)原理兩個(gè)球如果在斜率相同但空隙不一樣的軌道上運(yùn)動(dòng)，每個(gè)球受到向下運(yùn)動(dòng)的合外力大小不同。雖然兩球初始速度相同，當(dāng)末速度不同。操作與現(xiàn)象把兩個(gè)籃球放在兩條斜率相等的軌道上，其中A軌道較寬，B軌道較窄。兩個(gè)球同時(shí)滾下，B軌道的球最先到達(dá)終點(diǎn)。注意事項(xiàng)放置球時(shí)，不要用力過(guò)猛。思考題為什么軌道較窄的球會(huì)最先到達(dá)終點(diǎn)？?jī)蓚€(gè)球滾下來(lái)快慢的決定因素是什么？1.10超級(jí)碰撞球?qū)嶒?yàn)?zāi)康?．進(jìn)一步理解動(dòng)量守恒原理以及能量守恒原理。2．觀察物體彈性碰撞與非彈性碰撞時(shí)力的作用以及能量的轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)質(zhì)點(diǎn)系所受外力矢量和為零時(shí)，質(zhì)點(diǎn)系的總動(dòng)量不隨時(shí)間變化，這個(gè)結(jié)論稱(chēng)之為動(dòng)量守恒定律。兩個(gè)高彈性球質(zhì)量不等，發(fā)生彈性對(duì)心相向碰撞時(shí)，根據(jù)動(dòng)量能量守恒定律，質(zhì)量較小球返回速率將較大球靜止時(shí)大的多。大球和小球的初動(dòng)能都變成了小球返回的動(dòng)使用直升飛機(jī)模型，演示角動(dòng)量守恒原理。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理直升飛機(jī)為什么有一條又細(xì)又長(zhǎng)的尾巴？尾梢處還有一個(gè)在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的小螺旋槳?原因在于角動(dòng)量守恒定律，直升飛機(jī)看作是一個(gè)由主螺旋槳和機(jī)身組成的二體系統(tǒng)，當(dāng)直升飛機(jī)靜止時(shí)，系統(tǒng)的角動(dòng)量等于零。起飛時(shí)，主螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，具有一個(gè)角動(dòng)量，遵照角動(dòng)量守恒定律，系統(tǒng)的角動(dòng)量必須保持為零。因此機(jī)身一定要沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)(這類(lèi)同于平動(dòng)中的反沖現(xiàn)象)，為了制止機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)，就要開(kāi)動(dòng)尾梢處的小螺旋槳，產(chǎn)生一個(gè)力矩。尾巴很長(zhǎng)，力臂很大，小螺旋槳的功率可以很小，以節(jié)約能量。顯然，若小螺旋槳的轉(zhuǎn)速太小，將不足以完全制止機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)；若轉(zhuǎn)速太大，矯枉過(guò)正，機(jī)身也轉(zhuǎn)動(dòng)(反方向)。同理，升空的直升飛機(jī)，系統(tǒng)也具有一個(gè)角動(dòng)量(這是初始狀態(tài))，當(dāng)它降落時(shí)，主螺旋槳停止，角動(dòng)量減小到0，但是系統(tǒng)要保持角動(dòng)量原有的大小和方向，因此機(jī)身將同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)為了制止這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，也要開(kāi)動(dòng)尾梢處的小螺旋槳(與起飛時(shí)反方向)。本裝置是利用玩具直升飛機(jī)改制成，直升飛機(jī)裝在垂直的不銹鋼管上。不銹鋼管裝入電源機(jī)殼內(nèi)，接通電源，適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)翼速度，使機(jī)翼旋轉(zhuǎn)起來(lái)機(jī)身向機(jī)翼旋轉(zhuǎn)的相反方向旋轉(zhuǎn)，再調(diào)節(jié)尾翼旋轉(zhuǎn)速度，機(jī)身就不會(huì)旋轉(zhuǎn)。操作與現(xiàn)象1．接通電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，指示燈亮。2．調(diào)節(jié)機(jī)翼速度調(diào)節(jié)旋鈕，由小到大，機(jī)翼會(huì)逐步加大旋轉(zhuǎn)速度。慢慢調(diào)節(jié)，看到機(jī)身能產(chǎn)生和機(jī)翼相反方向的旋轉(zhuǎn)即可。再調(diào)節(jié)尾翼速度調(diào)節(jié)旋鈕，由小到大，適當(dāng)調(diào)節(jié)，看到尾翼旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)身停止旋轉(zhuǎn)即可。3.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，調(diào)節(jié)速度至最小，關(guān)掉電源。注意事項(xiàng)開(kāi)機(jī)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以免燒壞設(shè)備。思考題試直升飛機(jī)尾部的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量方向?qū)︼w行有何影響？1.23杠桿式回轉(zhuǎn)儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康难菔緞傮w的定向轉(zhuǎn)動(dòng)、進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理繞旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)軸以很大的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的物體(陀螺),如果沒(méi)有外力矩的作用,由于慣性,物體轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向保持不變。迅速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺受外力矩(如重力力矩)作用時(shí),它并不是立即傾倒,而是轉(zhuǎn)動(dòng)軸繞著某固定軸緩緩轉(zhuǎn)動(dòng),即進(jìn)動(dòng)。由于磨擦等因素使陀螺繞對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度逐漸變小,才慢慢地傾倒下來(lái)。該儀器可以直觀地演示出剛體的進(jìn)動(dòng)和陀螺的定軸性這一物理現(xiàn)象。操作與現(xiàn)象(一)演示剛體的定向轉(zhuǎn)動(dòng)1.調(diào)節(jié)平衡重物的位置，使系統(tǒng)的重心通過(guò)支點(diǎn)，輪的自轉(zhuǎn)軸處于水平方位，整個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。2.讓自轉(zhuǎn)輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以看到無(wú)論怎樣旋轉(zhuǎn)支架，自轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)軸方位始終保持不變，即角動(dòng)量不變。(二)演示進(jìn)動(dòng)、章動(dòng)現(xiàn)象1.調(diào)節(jié)平衡重物的位置，使系統(tǒng)的重心不過(guò)支點(diǎn)，即整個(gè)系統(tǒng)對(duì)支點(diǎn)軸受有重力矩作用。2.讓自轉(zhuǎn)輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以看到，自轉(zhuǎn)輪自轉(zhuǎn)的同時(shí)，其自轉(zhuǎn)軸還繞豎直軸旋轉(zhuǎn)的進(jìn)動(dòng)。如若用手指壓一下自轉(zhuǎn)輪，還可看到章動(dòng)現(xiàn)象。注意事項(xiàng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)自轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速不能太慢。思考題試一試當(dāng)企圖用手加速回轉(zhuǎn)儀的進(jìn)動(dòng)時(shí)，它卻向上跑去，為什么？1.29伯努利懸浮器實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察圓盤(pán)的懸浮現(xiàn)象，理解伯努利定理。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理理想流體在重力場(chǎng)中做定常流動(dòng)時(shí)，同一流線上各點(diǎn)的壓強(qiáng)、流速和高度之間存在一定的關(guān)系，即為伯努利方程若在同一水平流線，則有式中為流體密度，P為壓強(qiáng)，v為流速。顯然，當(dāng)流體流過(guò)物體表面時(shí)，流速大則壓強(qiáng)小。它是機(jī)械能守恒定律表述成適合于流體力學(xué)應(yīng)用的形式。伯努利方程在水利、造船、化工、航空等部門(mén)有著廣泛的應(yīng)用。在工程上伯努利方程常寫(xiě)成本實(shí)驗(yàn)中由于圓盤(pán)上下表面氣體流速不同，產(chǎn)生的壓力差向上形成推力。當(dāng)推力大達(dá)足以抵消圓盤(pán)自身的重力時(shí)，圓盤(pán)就會(huì)懸浮起來(lái)。操作與現(xiàn)象打開(kāi)儀器側(cè)面的電源開(kāi)關(guān)，可以感覺(jué)到風(fēng)源吹出的強(qiáng)風(fēng)。將圓盤(pán)用手向上托起，接近出風(fēng)口。當(dāng)圓盤(pán)靠近出風(fēng)口時(shí)，可以松開(kāi)手，看到圓盤(pán)懸浮在空中。實(shí)驗(yàn)完畢，用手把圓盤(pán)取下，關(guān)閉電源。注意事項(xiàng)關(guān)閉電源前要先把圓盤(pán)從風(fēng)口附近取下。思考題為什么兩艘同向行駛的船靠近時(shí)，有相撞的危險(xiǎn)？3.32對(duì)比式楞茨定律演示儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康难菔纠愦亩?。?shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)楞次定律可知，感生電流總是反抗引起感生電流的原因，因此下落磁鐵塊將不斷地受到磁力的阻礙作用，而緩慢下降，鋁塊在鋁管下落過(guò)程中，沒(méi)有感生電流產(chǎn)生，所以不受電磁阻尼的作用，而以重力加速度（管壁的摩擦力和空氣阻力很小忽略）勻加速快速下落。操作與現(xiàn)象1．左右手分別持磁鐵、鋁塊，分別從兩鋁管的上端口同時(shí)釋放。從兩鋁管下端開(kāi)口處，可以比較磁塊與鋁塊的下落先后。2．兩手持相同的磁鐵塊，分別從兩鋁管（其中一個(gè)是開(kāi)有縫隙的鋁管）的上端口同時(shí)釋放，磁鐵塊緩慢地下落。管中的磁鐵塊沿開(kāi)有縫隙的鋁管中下落過(guò)程中，由于管中產(chǎn)生的感生電流很小、受到的電磁阻尼也小，快速地先于另一鋁管中的磁鐵塊降到下端口。注意事項(xiàng)1.演示所用的兩塊磁鐵為釹鐵硼磁塊材料制成，磁性很強(qiáng)，切勿將兩塊磁鐵靠近或吸合在一起，以免撞碎磁鐵或夾住。2．由于本裝置全部采用鋁合金結(jié)構(gòu)，切勿磕碰、防止結(jié)構(gòu)變形。3.33楞次定律及磁懸浮實(shí)驗(yàn)?zāi)康难菔纠愦味珊痛艖腋?。?shí)驗(yàn)裝置儀器照片實(shí)驗(yàn)原理銅管可看成是很多圈小銅環(huán)疊加而成，當(dāng)磁鐵下落時(shí)，每個(gè)小銅環(huán)都產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)和感生電流。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)和楞次定律，感生電流的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的力將反抗磁鐵的下落。磁鐵在銅管里下落時(shí)不僅受到重力的作用，還要受到與反抗其下落的磁力。當(dāng)磁鐵下落伊始，由于速度減慢產(chǎn)生的磁力較小，重力大于磁力，磁鐵加速運(yùn)動(dòng)，反抗力隨之增大。隨后重力和磁力相等時(shí)作勻速運(yùn)動(dòng)，直到磁鐵接近管底，由于磁力減弱，磁鐵又作加速運(yùn)動(dòng)。由于不銹鋼管材料的電阻率較大，因而產(chǎn)生的感生電流較小，所以對(duì)下落的磁鐵產(chǎn)生的反抗力也小，磁鐵在不銹鋼管中的下落速度較快。玻璃管是絕緣材料，磁鐵在玻璃管管中近乎自由落體。當(dāng)磁鐵下落通過(guò)玻璃管上的線圈時(shí)，發(fā)光二極管相繼放光。通過(guò)改變線圈的輸入電壓，從而改變線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，使磁鐵能夠懸浮。操作與現(xiàn)象將聲控開(kāi)關(guān)插入電源插座上，整流變壓器的輸入端插入聲控開(kāi)關(guān)上，整流器的輸出端插入主機(jī)上方的插孔內(nèi)。使用超聲控制器（橡膠皮囊），使聲控開(kāi)關(guān)又輸出電壓（小燈亮），在按超聲控制器，小燈熄滅（表明無(wú)電壓輸出）。用超聲控制器使整流線圈帶電，分別用三個(gè)完全相同的磁鐵放入不同材質(zhì)（銅管、玻璃管和不銹鋼管）的上端，感到磁力能夠?qū)⒋盆F托起再松手，這時(shí)磁鐵懸浮于管中（如果磁力不夠，可調(diào)節(jié)變壓器的輸出）。用聲控開(kāi)關(guān)使線圈斷電，三個(gè)磁鐵將同時(shí)下落，可以看到銅管中的磁鐵最后下落到底座上的小杯里。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，磁鐵放在相應(yīng)的小杯。注意事項(xiàng)儀器的三根管必須保持與水平面垂直。易受磁場(chǎng)作用的物品要遠(yuǎn)離儀器。三根管放磁鐵時(shí)一定要注意磁鐵的極性要相同。思考題將尺寸完全相同的銅環(huán)和鋁環(huán)適當(dāng)放置，使通過(guò)兩環(huán)內(nèi)的磁通量的變化率相等。問(wèn)這兩個(gè)環(huán)中的感應(yīng)電流及感生電場(chǎng)是否相等？4.6偏心電機(jī)演示共振實(shí)驗(yàn)?zāi)康难菔窘饘購(gòu)椘谥芷谛酝饬ψ饔孟碌墓舱瘳F(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際的振動(dòng)系統(tǒng)總免不了由于阻力而消耗能量，這會(huì)使振幅不斷衰減。對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)施加了周期性外力，不斷地補(bǔ)充能量的緣故，可以使得振動(dòng)系統(tǒng)的振幅不衰減。這種周期性外力叫策動(dòng)力。在策動(dòng)力作用下的振動(dòng)就叫受迫振動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的質(zhì)心不在轉(zhuǎn)軸上，則當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)它的轉(zhuǎn)子就會(huì)對(duì)基座加一個(gè)周期性外力(頻率等于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率)而使基座作受迫振動(dòng)。受迫振動(dòng)的振幅與策動(dòng)力的頻率有關(guān)，當(dāng)策動(dòng)力頻率為其一值時(shí)，振幅達(dá)到極大值，這就是共振現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)中，機(jī)臺(tái)由四根彈簧連接上下底座組成，臺(tái)面上固定著帶有偏心輪的電機(jī)，另有三根長(zhǎng)度不同的不銹鋼彈片。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于偏心輪的