10个物理演示实验的基础原理及现象

2024年3月17日发(作者：赖际发)

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1.5 竞速轨道（1）

实验目的

探究物体运动时速度、时间与路程之间的关系。

实验装置

实验原理

如果两个物体运动的位移相等，但其中一个物体是匀速直线运动，而另一个物体运动过程中有加速也有减速，它们的路程与速度不同，它们运动的时间不同。

操作与现象

同时释放两个实心钢球通过同样高度、同样斜率的斜面滚到A、B两条轨道上，其中A轨道是平直的，B轨道先是平直的，然后凹陷下去，再平直一段距离，接着有爬升上来与A轨道同一高度，观察两个球到达轨道末端的时间，B轨道钢球先到达轨道末端。

注意事项

两球要同时从起点处下落；实验完毕及时将小球收到网袋里。

思考题

1、如果凹陷的部分没有平直的一段距离，两球会同时到达终点吗？

2、钢球的轻重对实验结果有影响吗？

1.6 竞速轨道（2）

实验目的

探究物体运动快慢的几个因素。

实验装置

见仪器照片1.1

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实验原理

两个球如果在斜率相同但空隙不一样的轨道上运动，每个球受到向下运动的合外力大小不同。虽然两球初始速度相同，当末速度不同。

操作与现象

把两个篮球放在两条斜率相等的轨道上，其中A轨道较宽，B轨道较窄。两个球同时滚下，B轨道的球最先到达终点。

注意事项

放置球时，不要用力过猛。

思考题

为什么轨道较窄的球会最先到达终点？两个球滚下来快慢的决定因素是什么？

1.10 超级碰撞球

实验目的

1．进一步理解动量守恒原理以及能量守恒原理。

2．观察物体弹性碰撞与非弹性碰撞时力的作用以及能量的转换。

实验装置

实验原理

当质点系所受外力矢量和为零时，质点系的总动量不随时间变化，这个结论称之为动量守恒定律。两个高弹性球质量不等，发生弹性对心相向碰撞时，根据动量能量守恒定律，质量较小球返回速率将较大球静止时大的多。大球和小球的初动能都变成了小球返回的动

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能，其返回速度会很大。多球连续正碰时，效果将更加明显。

操作与现象

1． 两个一大一小的弹性球穿在一根钢丝上，上面的是小球，下面的球最大。

2．释放下面的大球，使其自由下落，可以看到大球弹起的高度远远低于释放它的高度。

3．把两弹性球置于上次的高度，同时释放两球，小球弹起的高度高于释放它的高度，弹起 的速度也高于下降到最低点时的速度。

释放的球越多，最上面的小球弹起的高度就越高，弹起的速度也越大。

注意事项

实验完毕及时找回大小球。

思考题

1．为什么不论释放几个弹性球，只有最上面的球会弹起？

2．反弹时弹性球的受力情况是怎样的？

3．如果大球在上小球在下，释放时还会弹起那么高吗？

1.3 质心运动定律

实验目的

验证刚体受到作用点不同而大小和方向均相等的外力冲击后，其运动状态虽然不同，但其质心的运动相同。

仪器装置

实验原理

刚体的复杂运动可以分解为平动和转动。质点组的运动为以质心的平动和各质点相对于质心的运动。质心的平动遵从质心定理，即作用在质点组的合外力等于质点组质量与质心加速度的乘积。本实验演示刚体（哑铃状物体）在外力作用下，当外力矩为零时，刚体仅作平动；当外力矩不为零时，刚体既有平动又有转动；而当作用的外力相同并初始条件相同时，刚体质心的运动情况相同。

操作与现象

1.将哑铃放在支架上，使哑铃的质心位于打击杆的正上方,用手施力F于打击杆手柄处，则哑铃被垂直地打起来，哑铃始终平动，质心的运动轨道迹为竖直线。

2.将哑铃的质心偏离打击杆正上方，则可看到木球哑铃飞起后质心的运动轨迹仍是竖直线。哑铃同时又绕其质心转动，质心偏离的方向不同，转动的方向也不同。

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注意事项：

打击力必须是强而短促的冲击力。

思考题

试分析比较不同打击情况下，哑铃的运动状态和能量的变化。

1.16 茹科夫斯基转椅演示角动量守恒

实验目的

利用儒可夫斯基凳验证合外力矩为零的条件下物体的转动惯量改变时角动量守恒。

实验装置

实验原理

如果对于某一个固定点，质点所受的合外力矩为零，则此质点对该固定点的角动量矢量保持不变——角动量守恒定律。质点系绕定轴转动时,若其所受到的合外力矩为零,则质点系的角动量守恒，内力矩不会影响质点系的角动量。若质点系在内力的作用下绕定轴转动的转动惯量改变,则它的角速度将发生相应的改变以保持总角动量守恒。

操作与现象

演示者坐在可绕竖直轴自由旋转的椅子上，手握铁哑铃，两臂平伸。使转椅转动起来，然后收缩双臂，可看到人和凳的转速显著加大。两臂再度平伸，转速复又减慢。这是因为绕固定轴转动的物体的角动量等于其转动惯量与角速度的乘积，而外力矩等于零时，角动量守恒。当人收缩双臂时，转动惯量减小，因此角速度增加。

注意事项

凳子旋转时，实验者身体感觉不适应尽快即停止实验。

思考题

花样滑冰和跳水运动中有相关现象吗？

1.17 直升飞机演示角动量守恒

实验目的

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使用直升飞机模型，演示角动量守恒原理。

实验装置

实验原理

直升飞机为什么有一条又细又长的尾巴？尾梢处还有一个在竖直平面内旋转的小螺旋桨?原因在于角动量守恒定律，直升飞机看作是一个由主螺旋桨和机身组成的二体系统，当直升飞机静止时，系统的角动量等于零。起飞时，主螺旋桨转动，具有一个角动量，遵照角动量守恒定律，系统的角动量必须保持为零。因此机身一定要沿相反的方向转动(这类同于平动中的反冲现象)，为了制止机身转动，就要开动尾梢处的小螺旋桨，产生一个力矩。尾巴很长，力臂很大，小螺旋桨的功率可以很小，以节约能量。显然，若小螺旋桨的转速太小，将不足以完全制止机身转动；若转速太大，矫枉过正，机身也转动(反方向)。

同理，升空的直升飞机，系统也具有一个角动量(这是初始状态)，当它降落时，主螺旋桨停止，角动量减小到0，但是系统要保持角动量原有的大小和方向，因此机身将同方向转动，此时为了制止这个转动，也要开动尾梢处的小螺旋桨(与起飞时反方向)。

本装置是利用玩具直升飞机改制成，直升飞机装在垂直的不锈钢管上。不锈钢管装入电源机壳内，接通电源，适当调节机翼速度，使机翼旋转起来机身向机翼旋转的相反方向旋转，再调节尾翼旋转速度，机身就不会旋转。

操作与现象

1．接通电源，打开电源开关，指示灯亮。

2．调节机翼速度调节旋钮，由小到大，机翼会逐步加大旋转速度。慢慢调节，看到机身能产生和机翼相反方向的旋转即可。再调节尾翼速度调节旋钮，由小到大，适当调节，看到尾翼旋转，当机身停止旋转即可。

3.实验结束，调节速度至最小，关掉电源。

注意事项

开机时间不宜过长，以免烧坏设备。

思考题

试直升飞机尾部的螺旋桨转动的角动量方向对飞行有何影响？

1.23 杠杆式回转仪

实验目的

演示刚体的定向转动、进动、章动现象。

实验装置

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实验原理

绕旋转对称轴以很大的角速度转动的物体(陀螺),如果没有外力矩的作用,由于惯性,物体转动轴的方向保持不变。迅速转动的陀螺受外力矩(如重力力矩)作用时,它并不是立即倾倒,而是转动轴绕着某固定轴缓缓转动,即进动。由于磨擦等因素使陀螺绕对称轴转动的角速度逐渐变小,才慢慢地倾倒下来。该仪器可以直观地演示出刚体的进动和陀螺的定轴性这一物理现象。

操作与现象

(一)演示刚体的定向转动

1.调节平衡重物的位置，使系统的重心通过支点，轮的自转轴处于水平方位，整个系统处于平衡状态。

2.让自转轮快速转动，可以看到无论怎样旋转支架，自转轮的转轴方位始终保持不变，即角动量不变。

(二)演示进动、章动现象

1.调节平衡重物的位置，使系统的重心不过支点，即整个系统对支点轴受有重力矩作用。

2.让自转轮快速转动，可以看到，自转轮自转的同时，其自转轴还绕竖直轴旋转的进动。如若用手指压一下自转轮，还可看到章动现象。

注意事项

开始实验时自转轮的转速不能太慢。

思考题

试一试当企图用手加速回转仪的进动时，它却向上跑去，为什么？

1.29 伯努利悬浮器

实验目的

观察圆盘的悬浮现象，理解伯努利定理。

实验装置

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实验原理

理想流体在重力场中做定常流动时，同一流线上各点的压强、流速和高度之间存在一定的关系，即为伯努利方程

1212Pvgh＝Pv2gh2

111222若在同一水平流线，则有

式中为流体密度，P为压强，v为流速。显然，当流体流过物体表面时，流速大则压强小。它是机械能守恒定律表述成适合于流体力学应用的形式。

伯努利方程在水利、造船、化工、航空等部门有着广泛的应用。在工程上伯努利方程常写成

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P1v12＝P2v222pv2h＝常量

g2g本实验中由于圆盘上下表面气体流速不同，产生的压力差向上形成推力。当推力大达足以抵消圆盘自身的重力时，圆盘就会悬浮起来。

操作与现象

1． 打开仪器侧面的电源开关，可以感觉到风源吹出的强风。

2． 将圆盘用手向上托起，接近出风口。

3． 当圆盘靠近出风口时，可以松开手，看到圆盘悬浮在空中。

4． 实验完毕，用手把圆盘取下，关闭电源。

注意事项

关闭电源前要先把圆盘从风口附近取下。

思考题

为什么两艘同向行驶的船靠近时，有相撞的危险？

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3.32 对比式楞茨定律演示仪

实验目的

演示楞茨定律。

实验装置

实验原理

根据楞次定律可知，感生电流总是反抗引起感生电流的原因，因此下落磁铁块将不断地受到磁力的阻碍作用，而缓慢下降，铝块在铝管下落过程中，没有感生电流产生，所以不受电磁阻尼的作用，而以重力加速度（管壁的摩擦力和空气阻力很小忽略）匀加速快速下落。

操作与现象

1．左右手分别持磁铁、铝块，分别从两铝管的上端口同时释放。从两铝管下端开口处，可以比较磁块与铝块的下落先后。

2．两手持相同的磁铁块，分别从两铝管（其中一个是开有缝隙的铝管）的上端口同时释放，磁铁块缓慢地下落。管中的磁铁块沿开有缝隙的铝管中下落过程中，由于管中产生的感生电流很小、受到的电磁阻尼也小，快速地先于另一铝管中的磁铁块降到下端口。

注意事项

1.演示所用的两块磁铁为钕铁硼磁块材料制成，磁性很强，切勿将两块磁铁靠近或吸合在一起，以免撞碎磁铁或夹住。

2．由于本装置全部采用铝合金结构，切勿磕碰、防止结构变形。

3.33 楞次定律及磁悬浮

实验目的

演示楞次定律和磁悬浮。

实验装置

仪器照片

实验原理

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铜管可看成是很多圈小铜环叠加而成，当磁铁下落时，每个小铜环都产生感生电动势和感生电流。根据法拉第电磁感应和楞次定律，感生电流的磁场所产生的力将反抗磁铁的下落。磁铁在铜管里下落时不仅受到重力的作用，还要受到与反抗其下落的磁力。当磁铁下落伊始，由于速度减慢产生的磁力较小，重力大于磁力，磁铁加速运动，反抗力随之增大。随后重力和磁力相等时作匀速运动，直到磁铁接近管底，由于磁力减弱，磁铁又作加速运动。

由于不锈钢管材料的电阻率较大，因而产生的感生电流较小，所以对下落的磁铁产生的反抗力也小，磁铁在不锈钢管中的下落速度较快。玻璃管是绝缘材料，磁铁在玻璃管管中近乎自由落体。当磁铁下落通过玻璃管上的线圈时，发光二极管相继放光。

通过改变线圈的输入电压，从而改变线圈的磁场强弱，使磁铁能够悬浮。

操作与现象

1. 将声控开关插入电源插座上，整流变压器的输入端插入声控开关上，整流器的输出端插入主机上方的插孔内。

2. 使用超声控制器（橡胶皮囊），使声控开关又输出电压（小灯亮），在按超声控制器，小灯熄灭（表明无电压输出）。

3. 用超声控制器使整流线圈带电，分别用三个完全相同的磁铁放入不同材质（铜管、玻璃管和不锈钢管）的上端，感到磁力能够将磁铁托起再松手，这时磁铁悬浮于管中（如果磁力不够，可调节变压器的输出）。

4. 用声控开关使线圈断电，三个磁铁将同时下落，可以看到铜管中的磁铁最后下落到底座上的小杯里。

5. 实验结束，磁铁放在相应的小杯。

注意事项

1. 仪器的三根管必须保持与水平面垂直。

2. 易受磁场作用的物品要远离仪器。

3. 三根管放磁铁时一定要注意磁铁的极性要相同。

思考题

将尺寸完全相同的铜环和铝环适当放置，使通过两环内的磁通量的变化率相等。问这两个环中的感应电流及感生电场是否相等？

4.6 偏心电机演示共振

实验目的

演示金属弹片在周期性外力作用下的共振现象。

实验装置

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实验原理

实际的振动系统总免不了由于阻力而消耗能量，这会使振幅不断衰减。对振动系统施加了周期性外力，不断地补充能量的缘故，可以使得振动系统的振幅不衰减。这种周期性外力叫策动力。在策动力作用下的振动就叫受迫振动。如果电动机的转子的质心不在转轴上，则当电动机工作时它的转子就会对基座加一个周期性外力(频率等于转子的转动频率)而使基座作受迫振动。受迫振动的振幅与策动力的频率有关，当策动力频率为其一值时，振幅达到极大值，这就是共振现象。

本实验中，机台由四根弹簧连接上下底座组成，台面上固定着带有偏心轮的电机，另有三根长度不同的不锈钢弹片。当电机开始转动时，由于偏心轮的作用，会给机座周期性的外加的策动力，系统做受迫振动。调节电机的转速，策动力的周期发生改变，当策动力的频率分别与机座、不同长度金属弹片的固有频率相等时，就会出现相应的共振。

操作与现象

1. 打开电源，电机转速旋钮从最低转速开始调节，分别观察振动系统的底座、长金属条，逐渐到短金属弹片的共振现象。

2. 实验完毕，关闭电源。

注意事项

调节电机转速时，调节幅度不要过大。

思考题

为什么实验装置中要取几根弹簧作为支撑物?