新颖大学物理演示实验

2024年3月17日发(作者：童第周)

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1.超导磁悬浮

操作方法

1.首先将小车下面垫上一 8mm 左右的硬纸板放在磁性导轨上。要让再将液氮倒入小车容器中 , 大约过三分钟，撤下硬纸板。

2.小车悬浮在空中 , 给其一个驱动力 , 机车就会沿着磁性导轨运动。

3.打开驱动力的开关（可变向） , 让机车每圈的运动都受到一个驱动力的作用 , 这样可是机车持续的运动下去。

注意事项： 1.液氮的温度是零下近 200 摄氏度 ，操作者及观看者要注意不要触及液氮，操作时一定要带手套，使用镊子。

2.超导块的冷却要均匀，全面，最好全部浸入液氮中，否则机车的运动将会不稳定。

原理提示 ：超导体的磁性与导体不同， 进入超导态后置于外磁场中时， 它内部产生磁化强度与外磁场完全抵消，磁力线完全被排斥在超导体外面，从而内部的磁感应强度为零，这就是 超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应。完全抗磁性会产生磁悬浮现象。实验中， 当超导块经冷却达到超导态后靠近磁性导轨时，磁力线进入超导体表面并形成很大的磁通密度梯度，感应出高临界电流，从而超导块对轨道产生排斥，排斥力克服超导体重力使其悬浮。磁性导轨用铷铁硼磁块铺设在钢板上制成，两边 N 型轨道起磁约束作用，保证超导块在轨道上运动。

2.光栅透视系统

操作方法

打开灯光电源，把观察镜对准灯源中心，透过观察镜观察不同光源的光谱。

注意事项

不要频繁的开关灯源，因灯管的寿命和开灯的次数有关。

原理提示

根据光栅方程 ，如果是复色光入射，则由于各成分色光的 不同。除中央零级条纹外，各成分色光的其它同级明条纹将在不同的衍射角出现。 同级的不同颜色的明条纹将按波长顺序排列成光栅光谱，这就是光栅

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的分光作用。如果入射复色光中只包含若干个波长成分，则光栅光谱由若干条不同颜色的细亮谱线组成。本实验中使用介质膜光栅，很好的观察了氦、汞及白光的光谱 。

3.光学幻影

原理提示

凹面镜成虚像的原理，观察者所看到的图像是在仪器的后部凹面镜中所成的虚像，因在凹面镜的前方焦点上有一个倒悬的可以转动的物体，观察者看到的图像就是这个物体的虚像。

操作方法

1. 打开电源即可。

2. 观察时，观察者应站在正对着仪器有一定距离的位置。

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4.偏振光干涉演示仪

操作方法

1.观察仪器内的图形，都是无色透明的元件。

2.打开光源，这时立即观察到偏振光干涉条纹。

3.旋转面板上的旋钮，观察视场中的色彩变化。

4.把透明 U 型元件从窗口放进，观察不到异常，用力握 U 型元件，这时在元件上出现彩色条纹，呈现疏密分布。条纹密集的地方是应力比较大的地方，反之是应力较小处，此即光测弹性。

注意事项

取放玻璃片要小心轻放，注意安全

原理提示

在仪器内的透光材料是由里到外用不同层数的薄膜拼制而成的图案，薄膜内部的残余应力分布均匀。光弹材料制成的三角板和曲线板，内部存在着非均匀分布的残余应力。线偏振光通过这些模型后产生应力双折射，分成有一定相差且振动方向互相垂直的两束光，这束光的传播方向是同向的，这两束光通过最外层的偏振片后成为相干光，发生偏振光干涉。对于不同层数的薄膜拼制而成的图案，由于应力均匀，双折射产生的光程差由厚度决定，各波长的光干涉后的强度均随厚度而变，故而合成后呈现与层数分布对应的色彩图案。对于三角板和曲线板，由于厚度均匀，双折射产生的光程差主要与应力有关，各波长的光干涉后的强度随应力分布而变，则合成后呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹。转动外层偏振片，即改变两偏振片的偏振化方向夹角，也会影响各波长的光干涉后的强度，使图案颜色发生变化。利用偏振光的干涉，可以考察透明元件是否受到应力以及应力的分布情况。这称为光测弹性。

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5.普氏摆

操作方法

1.拉开摆球，使其在两排金属杆之间的一个平面内摆动；

2.站在普氏摆正前方即垂至于摆动面的位置观察球摆动的轨迹；

3.戴上光衰减镜再观察摆球的轨迹，会发现球按椭圆轨迹运动；

4.将光衰减镜反转 180 度，再观察摆球运动轨迹的变化。

原理提示

我们之所以能够看到立体的景物，是因为双眼可以各自独立看东西，两眼有间距，造成左眼与右眼图像的差异称为视差，人类的大脑很巧妙地将两眼的图像融合，产生出有空间感的立体视觉效果在大脑中。

在这个实验中，所用的光衰减镜引起相位延迟，使分别进入两只眼睛的物光产生光程差，从而感觉出物体的立体感。

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6.台式皂膜

操作方法

1.配制的溶成份是： 洗洁精和甘油。

2.先把仪器上的照明灯打开，再将横梁各种造型浸入皂液，提起来观察不同的皂膜形状，在照明灯下观察薄膜干涉条纹。

原理提示

皂膜实验同时演示了液体表面张力、薄膜干涉现象及能量最底原理。 “ 表面张力 ” 即液体表面的分子由于受到液体内部分子的吸引力而使液体表面尽可能收缩的一种力。由于表面张力的作用，形成皂膜，而不同形状的模型拉出不同的形状的皂膜，则体现能量最底原理，即：在这种形状下，皂膜面积最小，能量最低。 在白光照射下，呈现出彩色的干涉条纹。当肥皂液慢慢向下流时，皂膜变得上薄下厚，形成劈尖干涉，可以看到彩色的条纹带逐渐由窄变宽。

7.雅格布天梯演示实验

【实验目的】：

通过演示来了解气体弧光放电的原理。

【实验仪器】：雅格布天梯演示仪

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图9 雅格布天梯演示仪

【实验原理】：

无论是在稀薄气体、金属蒸汽或大气中，当回路中电流的功率较大时，能够提供足够大的电流，使气体击穿，伴随有强烈的光辉，这时所形成的自持放电的形式是弧光放电。

雅格布天梯是演示高压放电现象的一种装置。给存在一定距离的两电极之间加上高压，若两电极间的电场达到空气的击穿电场时，两电极间的空气将被击穿，并产生大规模的放电，形成气体的弧光放电。

雅格布天梯中的两电极构成为一梯形，下端间距小，因而场强大。其下端的空气最先被击穿，产生大量的正负离子，同时产生光和热，即电弧放电。由于电弧加热（空气的温度升高，空气就越易被电离, 击穿场强就下降），使其上部的空气也被击穿，形成不断放电。结果弧光区逐渐上移，犹如爬梯子一般的壮观。当升至一定的高度时，由于两电极间距过大，使极间场强太小不足以击穿空气，电极提供的能量不足以补充声、光、热等能量损耗时弧光因而熄灭。此时高压再次将电极底部的空气击穿，发生第二轮电弧放电，如此周而复始，形成实验中的现象。

【实验步骤】：

打开电源开关，可看到高压弧光放电沿着“天梯”向上“爬”，同时听到放电声，直到上移的弧光消失，天梯底部将再次产生弧光放电。

【注意事项】：

1．千万做好安全防护，将仪器封闭，不能让人触及仪器，尤其是在工作时；

2． 仪器工作时间不能过长，一般不超过3分钟，将自动断电进入保护状态, 稍等一段时间，仪器恢复后方可继续演示。

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8.偏振光干涉演示实验

【实验目的】：

学习偏振光干涉原理。

【实验仪器】：偏振光干涉演示仪

图13 偏振光干涉演示仪

【实验原理】：

偏振光干涉演示仪内的图案分两种：

（1）层数的薄膜叠制而成的蝴蝶、飞机、花朵等图案（中心厚，四边薄），薄膜内部的残余应力分布均匀。

（2）光弹性材料制成的三角板和曲线板，厚度相等，但内部存在着非均匀分布的残余应力。

白光光源发出的光透过第一个偏振片后变成线偏振光。

线偏振光通过这些模型后产生应力双折射，分成有一定相差且振动方向相互垂直的两束光。这两束光通过最外层的偏振片后成为相干光，发生偏振光干涉。

对于蝴蝶、飞机、花朵等模型，由于应力均匀，双折射产生的光程差由厚度决定，各种波长的光干涉后的强度均随厚度而变化，故干涉后呈现于层数分布对应的色彩图案。

对于三角板和曲线板，由于厚度均匀，双折射产生的光程差主要与残余应力分布有光，各波长的光干涉后的强度随应力分布而变，则干涉后呈现与应力分布对应的不规则彩色条纹。条纹密集的地方是残余应力比较集中的地方。

U形尺的干涉条纹类似于三角板和曲线板，区别在于这里的应力不是残余应力，而是实时动态应力，所以条纹的色彩和疏密是随外力的大小而变化的。利用偏振光的干涉，可以考察透明元件是否收到应力已经应力的分布情况。

转动外层偏振片，即改变两偏振片的偏振方向夹角，也会影响各种波长的光干涉后的强度，使图案颜色发生变化。

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【实验步骤】：

1. 轻地从仪器上方抽出仪器内的两种图案，看到它们都是由无色透明的材料制成，原样放回；

2. 打开光源，这时立即观察到视场中各种图案偏振光干涉的彩色条纹；

3. 旋转面板上的旋钮，观察干涉条纹的色彩也随之变化；

4. 把透明U形尺从窗口放进，观察不到异常，用力握U形尺的开口处，立即看到在尺上出现彩色条纹，且疏密不等；改变握力，条纹的色彩和疏密分布也发生变化。

【注意事项】：

取玻璃片也小心轻放，注意安全。

9.氏摆演示实验

【实验目的】：

了解普氏摆，演示人眼的视觉特点

【实验仪器】：普氏摆演示仪

图14 普氏摆演示仪

【实验原理】：

人之所以能够看到立体的景物，是因为双眼可以各自独立看景物。两眼有间距，造成左眼与右眼图像的差异称为视差，人类的大脑很巧妙地将两眼的图像合成，在大脑中产生有空间感的视觉效果。

在这个实验中，所用的光衰减镜引起光强的减弱，使分别进入两只眼睛的物光产生距离感，从而感觉出物体的立体感。将光衰减镜反转180度时，摆球的运动轨迹又发生了改变。

【实验步骤】：

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1．拉开摆球，使其在两排金属杆之间的一个平面内摆动；

2. 普氏摆正前方位置观察球摆动的轨迹；

3. 光衰减镜再观察摆球的轨迹，发现摆球按椭圆轨迹转动；

4. 衰减镜反转180度，再观察，发现摆球改变了转动方向。

【注意事项】：

1. 摆球的摆动平面尽量在两排金属杆的中间，避免与金属杆相碰；

2. 观察时双眼均要睁开。

10.光学分型演示实验

【实验目的】：

通过演示光学分型的物理现象，掌握光学分型的原理。

【实验仪器】：光学分形演示仪。

图15 光学分形演示仪

【实验原理】：

分形是一种具有自相似特性的现象、图像或者物理过程。在分形中，每一组成部分都在特征和整体上相似。除自相似性以外，分形具有的另一个普遍特征是具有无限的细致性。即无论放大多少倍，图像的复杂性依然丝毫不会减少。但是每次放大的图形却并不和原来的图形完全相似，即分形并不要求具有完全的自相似特性。

本实验利用互成一定角度的多个反射镜对同一个图案进行多次反射，构成一个复杂图像，体现分形的基本概念。

【实验步骤】：

打开电源即可观察到由多个相同图案构成的半球形图像。

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11.光学幻像演示实验

【实验目的】：

了解凹面镜成像原理，演示人眼的视觉特点

【实验仪器】：光学幻像演示仪

【实验原理】：

你看到的这只玫瑰，其实是一朵玫瑰模型的影像，模型实物隐藏在展品的壳体里面，它是通过一个大凹面反光镜成像在窗口外的缘故。我们知道，一个物体放置在凹面反光镜的二倍焦距附近，它的影像也在凹面反光镜的二倍焦距附近，这是凹面反光镜独有的光学特性。凹面反光镜不但在焦距之外能成明亮看得见的物体影像，而且在焦距处有很好的聚集作用。因此它广泛地应用在探照灯照明、太阳能利用及遥感天线和光学仪器中。

【实验步骤】：

接通电源，观众站到距展品１米左右处，可看到一只清晰的玫瑰，当你用手去摸时，却没摸到玫瑰。