大学物理探究性实验报告

1、椎体上滚l 实验原理在重力场中，物体在地球引力的作用下，总是以降低重心来趋于稳定。本实验中锥体与轨道的形状巧妙组合，给人以锥体自动由低处向高处滚动的错觉：V形导轨的低端处，两根导轨相距较小，停于此处的锥体重心最高，重力势能最大；V形导轨的高端处，两根导轨相距较大，停于此处的锥体重心最低，重力势能最小。因此，从导轨低端处释放锥体，锥体就会沿导轨从低端滚向高端，这其间锥体的重心逐渐降低，重力势能逐渐减小，被转化为了锥体滚动时的动能，体现了机械能守恒。l 实验现象将锥体置于导轨的高端，锥体并不下滚；反之，将锥体置于导轨的低端，松手后锥体会自动上滚，直至高端后停住。l 小结或讨论刚开始看到这个实验装置

2、时，还真的以为椎体是在“上滚”，因为两个金属滑轨确是一边高一边低，而椎体也确实是从低的那一端滚上了高的那一端。可是当到侧面观察是，很快便发现了这个装置的奥秘所在：我们的眼睛被欺骗了！虽然椎体看上去是从低处滚向高处，可椎体的重心却是由高到低！与此类似的错觉很多，比如“怪坡”现象。世界上已经发现了多处“怪坡”，在这些“怪坡”上，汽车下坡时必须加大油门，而上坡时即使熄火也可到达坡顶；骑自行车下坡时要使劲蹬，而上坡时却要紧扣车闸；人在坡上走，也是上坡省力，下坡费劲。如果仔细研究会发现，所谓的“怪坡”并没有违反科学规律，“怪坡”与它路边倾斜的参照物护栏、石柱巧妙结合，给人一种错觉，就好比“锥体上滚”一样

3、的错觉。物理规律是不会欺骗我们的：在重力场中，物体的能量总是自然地趋向最低状态，物体总是以降低重心力求稳定的。这些现象告诉我们，我们不能仅仅凭现象凭肉眼的观察就断定一个事物，必须以科学的态度、科学的方法去探究现象背后的本质。铜喷水鱼洗现象探究l 实验原理本实验的物理原理可分三个过程加以说明： 1、操作者手搓提把，使能量传入的过程，是一个非线性自激振动过程，其物理实质是用单方向的力激起提把的振动。 2、提把的振动耦合为盆体的横驻波共振。鱼洗盆的提把安装在盆内侧面的相对的两侧，它的振动可以耦合为盆体的横驻波共振。本实验所用鱼洗盆侧面环盆一周有4个波节、4个波腹的驻波模的频率与提

4、把自激振动的频率相接近（最好略高一点）时，可以最有效地激起该模的振动。 3、波腹处剧烈的振动使水具有的动能大于水的表面张力限定的势能，且能克服重力再向上运动时，水被撕裂成水珠从水面飞出，形成向上喷射的水花。本实验鱼洗盆中激起的振动为4波腹4波节模式，所以有4股水花从波腹处飞出。使提把由于非线性过程而产生的自激振动的频率接近鱼洗盆侧面横驻波模式（4波腹4波节）的固有频率，是本装置结构的关键。l 实验现象操作者伸开两手掌，掌面蘸少许水，将两手掌放在鱼洗盆的两个提把上，轻柔均匀地使手掌在提把上来回滑动。当听到鱼洗盆嗡嗡振动起来时，便有水花从水面上喷射出来。l 小结或讨论喷水鱼洗是我国古代人

5、民的智慧结晶之一。从振动与波的角度来分析是由于双手来回摩擦铜耳时，形成铜盆的自激振荡，这种振动在水面上传播，并与盆壁反射回来的反射波叠加形成二维驻波。 理论分析和实验都表明这种二维驻波的波形与盆底大小、盆口的喇叭形状等边界条件有关。我国汉代已有鱼洗，并把鱼嘴设计在水柱喷涌处，说明我国古代对振动与波动的知识已有相当的掌握。在实验室里看到有的同学能摩擦激起特别高的水花，铜盆的共振现象也特别明显，发出的声音特别大。当自己动手实际操作时，发现这并不是一个特别容易的事情，一开始不论怎么摩擦都无法激起水花，后来实验了好多次以后，才发现激起水花的小窍门，手与铜质提手的接触面积越大，压力越大，效果越

6、好！ 当手感受到与提手的摩擦越大时能激起的水花最大！做本实验一定要有耐心，水花的喷射基本与人手磨擦提把的频率无关，故不能着急。记忆合金l 实验原理记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫做"记忆合金"。记忆合金由于是不同种类的结构元相互掺和均布，尽管结构元的个子、电磁力的大小不同，但各自都加快了自身的价和运转，在一定的温度条件下相邻相安。在受到外力后，电磁力受到外力的干扰，价和电子的运转平面作出微量角度调整，物体产生塑性变形

7、，在此塑性变形中，部分调整后的价和电子的运转是不舒展的。当温度条件变化时价和电子的速率随之变化，当温度回复到相安舒展的（转变温度）条件时，不舒展的价和电子的运转立即回复到当时的速率，电磁力随之发生变化，使相邻结构元的价和运转也都作出相应的调整，全部回复到原来的舒展状态，于是整个物体也都回复到了原来的状态。这就是记忆合金的记忆过程。l 实验现象如下图所示，左图为初始状态下的被拉长的记忆合金丝，右图为放入85摄氏度温水中后拿出的记忆合金丝，可观察到其由松弛状态拉紧，恢复它原本的状态。l 小结或讨论在实验的过程中发现，当把变形的水车放入温水中时，水车会自己转动。对此现象查阅资料后得知该装置让所选记忆

8、合金周期性地与高温热源和低温热源接触，形状随之周期性地变化，从而驱动水车轮的转动，形象地展示了热变为功的过程和形状记忆合金的特性和用途。形状记忆合金在人造卫星天线、机器人和自动控制系统、仪器仪表、医疗设备和能量转换材料等高科技领域有着广泛的应用，我想随着科技的发展，总有一天这种技术会走进寻常百姓家，能够制造出性能更优秀或者有特殊功能的产品，更好的服务于我们人类，使我们的生活更加便利舒适。辉光球l 实验原理辉光球又称为电离子魔幻球。它的外观为直径约15cm的高强度玻璃球壳，球内充有稀薄的惰性气体（如氩气等），玻璃球中央有一个黑色球状电极。球的底部有一块震荡电路板，通过电源变换器，将12V低压直流

9、电转变为高压高频电压加在电极上。通电后，震荡电路产生高频电压电场，由于球内稀薄气体受到高频电场的电离作用而光芒四射，产生神秘色彩。由于电极上电压很高，故所发生的光是一些辐射状的辉光，绚丽多彩，光芒四射。 在通常情况下，气体中的自由电荷极少，是良好的绝缘体。但在某些外界因素（如紫外线、X射线以及放射线的照射，或者气体加热）的作用下，气体分子可发生电离，气体中出现电子和离子，这时在外电场作用下，电子和离子作定向漂移运动，气体就导电。l 实验现象如下图所示，辉光球会放出五颜六色十分绚丽的光芒，在黑暗之中特别漂亮。当手接触玻璃球壳表面时，就像是手指把光聚集在几点上，并且与玻璃球壳接触的面积越大“光线”

10、越集中。接触时间长了玻璃表面会很烫手。l 小结或讨论实验时对手接触到玻璃球时的现象十分感兴趣，之后上网搜索得知辉光球工作时，在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场。当用手（人与大地相连）触及球时，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，故辉光在手指的周围处变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲，随手指移动起舞。在搜索过程中还发现一些特别有意思的辉光相关的应用，在各种各样的辉光中，最神奇的还要算人体辉光！1911年伦敦有一位叫华尔德·基尔纳的医生运用双花青染料刷过的玻璃屏透视人体，发现在人体表面有一个厚达15毫米的彩色光层。医学家们对此研究表明，人体在疾病发生前，体表的辉光

11、会发生变化，出现一种干扰的“日冕”现象；癌症患者体内会产生一种云状辉光；当人喝酒时辉光开始有清晰、发亮的光斑，酒醉后便转为苍白色，最后光圈内收。吸烟的人其辉光则有不谐和的现象。人体辉光产生的原因，科学家们至今各抒己见。一些人认为辉光现象除了人体白细胞之外，还可能使人体体表某种物质、射线与空气复合产生的，或是一种水汽和人体盐分与主频电场作用的结果，或是人体的光导系统经络系统显示它的“庐山真面目”。雅各布天梯l 实验原理希腊神话中有这样一个故事：雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”，后人便把这神话中的梯子，称之为雅各布天梯。雅各布天梯则展示了电弧产生和消失的过程。二根呈羊角形的管状电极，一极接高

12、压电，另一个接地。由于电极间具有几万伏高压，在电极相距最近的底部，由于场强较大，空气首先被击穿产生大量正负离子，同时产生光和热。热空气迅速向上移动，于是电弧也随着向上运动，随着电极间距离的增大，电弧也随之拉长，当电弧爬升到顶部时，由于电极距离过大，电压不足以击穿空气，电弧自动熄灭。只要保持两级间的电压，这种放电过程就会周而复始地进行，形成弧光放电，如一簇簇圣火似地向上爬升，犹如希腊神话的雅各布天梯。l 实验现象打开电源开关便会看到高压放电电弧沿着“天梯”向上爬，同时听到放电声，直到上移的电弧消失，天梯底部将再次电弧放电。l 小结或讨论从书上得知这个实验的原理就是弧光放电，在这里就想到了之前辉光

13、球的辉光放电。只是一字之差，现象也很相似，我很好奇它们两个差别在哪里，于是自己查找了资料。呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电 的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。低压气体中显示辉光的气体放电(空气

14、中的电子大概在1000对/cm3,由于高压放电现象在低气压状态下会产生辉光现象）现象。在置有板状电极的玻璃管内充入低压（约几毫米汞柱）气体或蒸气，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电 的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。除了这两种放电现象，还找到电晕放电和火花放电两种，限于篇幅，这里就不写出来了。普氏摆l 实验原理1922年，德国物理学家Carl Pulfrich发现了人眼的一个奇异生理现象，即当一个用绳子悬吊的重摆在

15、一个平面内作往复摆动时，如果用一块茶色镜遮住一个眼睛，我们同时睁眼看到的这个运动摆的轨迹就会从单摆轨迹变为椭圆形轨迹。他通过滤镜观察左右摆动的小球，发现小球不止左右摆动，还能自由前后运动。通过滤镜的作用人们的视觉出现了停顿，由于人们脑子反应太慢，之前的影像还挥之不去呢后来的影像就接连出现，这样没有今日事今日毕的感觉积少成多，小球就形成了一个椭圆形的运动轨迹。普尔弗里效应说明人眼在暗光、暗镜头的作用下看到的物体影像会比通常情况下延长，这时候，暗光和暗镜头的摄影器材就相当于一个滤镜，人们通过他们拍出来的影像会让观众产生错觉。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

16、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，摆球作往复的单摆运动(即摆球在一平面内做往复的摆动)。当观察者通过光衰减镜(右侧装深色镜片，左侧装浅色镜片)观看摆球时，由于深色镜片会延迟知觉(约0.01秒)，单摆自左向右摆动时看起来是向前(靠近)摆动，自右向左摆动时似乎向后(远离)摆动，同时近处物体移动的速度看起来比远处物体移动速度要快，视觉的延迟导致左右眼视点不能重合，因此较近的物体看起来好像跳出平面而成为立体图像。 l 实验现象拉开摆球，使其在两排金属杆之间的一个平面内摆动，然后站在普氏摆正前方位置观察球摆动的轨迹，戴上光衰减

17、镜（防盗墨镜）再观察摆球的轨迹，发现摆球按椭圆轨迹转动，将光衰减镜反转180度，再观察，发现摆球改变了转动方向。l 小结或讨论从书上还看到对于光衰减镜会延迟和人长期的用眼习惯对我们左右眼视力的影响也有一定的关系，所以，在做实验的时候，当我把左眼挡住，很难观察这个现象，但是当我把右眼挡住，就能清晰的发现这一现象。所以说这个物理现象的观察在一定程度上还取决于人的生理问题，不是每个人都做得来的，例如单眼弱视者就根本无法做成这个实验。但是在我们做实验的过程中没有发现这个问题，周围的同学们都是可以成功看到实验现象的。目前，人们利用普氏摆现象发明了一种眼镜，它可以在平面显示器上模拟出立体的效果。这会不会在

18、3D的模型上得到应用，也是值得我们探讨的问题，更是我们要研究并且争取让它得到应用的。而据我所知目前电影院的3D效果都是通过两个放映机加偏振片再配合特制的检偏眼睛实现的，使观众左眼看到从左视角拍摄的画面，右眼看到从右视角拍摄的画面，通过双眼的会聚功能，合成为立体视觉影像。昆特管l 实验原理驻波是由振幅、频率、振动方向均相同而传播方向相反的两列波迭加而成的；由扬声器发出的入射声波在管内的另一端发生反射并与入射声波干涉形成驻波。实验中可观察到环形飞溅的煤油浪花，此处液体振动最激烈，称为波腹；振幅最小的点称为波节，此处液体静止不动。在昆特管中驻波的波腹处，空气振动剧烈，气压小，从而吸起该处的煤油，使得

19、波腹处的煤油飞溅；而在驻波的波节处，驻波能量极小，且两侧波腹处的空气向此聚集，气压大，将此处煤油下压，使得煤油只能向两侧（波腹位置）流动。最终两者达到动态平衡，形成了在实验中看到的“喷泉”现象。驻波实际上就是分段振动现象，在驻波中没有振动状态和相位的传播，故称为驻波。空气中驻波、压强以及喷泉的形成示意图l 实验现象频率（Hz）电压（V）现象1600.75无1651.21第三段振动1670.93第二段振动2101.05第一段振动3361.05无3500.75无一根玻璃长管里面放一些煤油，在一端时致的封闭端，另一端连接一个接通电源的声波发生器，打开电源，声波产生，通过调节声波的频率大小，来找到合适

20、的频率，使波峰和波谷的现象放大，从而发现有几个地方、出现了剧烈的震动，有些地方看似十分平静。信号频率调至某一参考值附近，调节频率微调旋钮至管内形成驻波。此时能看到激起的片状水花，增大电压值时振动会增强。l 小结或讨论由现象可知每一个电压对应一个频率使管内的煤油振动，且当频率大于某一值时调节电压不能使管内煤油振动。看到这个实验，了解到波的叠加特性，也感受到物理的神奇。我们生活在一个充斥着电磁波、声波、光波的世界当中，了解一些基本的关于博得只是对于我们的健康生活是很有帮助的。光学幻影l 实验原理凹面镜成像是反射成像，凹面镜不是使光线透过，而是反射回去成像的仪器，光线遵守反射成像规律。当物距小于焦距

21、时成正立、放大的虚像，物体离镜面越远，像越小。当物距大于焦距时，成缩小的实像，物体离镜面越远，像越小。成的实像与物体在同侧，成的虚像与物体在异侧。不仅可以使平行光线汇聚于焦点，还能使焦点发出的光线反射成平行光。有句话说“眼见为实”，可在这里我们通过光学幻影演示仪可以让你看到的东西并不是真是存在的，而只是通过光学成像方法实现的一个物像。l 实验现象打开电源开关，使幻影仪的出射窗口呈现幻像。可以看到一朵悬在空中转动着的美丽的红花，质感非常细腻；伸手去触摸红花，发现并没有实物；从不同的角度观察，红花的形状稍有所不同。l 小结或讨论光学幻影成像系统是基于“实景造型”和 “幻影”的光学成像结合，将所拍摄

22、的影像（人、物）投射到布景箱中的主体模型景观中，演示故事的发展过程。绘声绘色，虚幻莫测，非常直观，给人留下较深的印象。由立体模型场景、造型灯光系统、光学成像系统、影视播放系统、计算机多媒体系统、音响系统及控制系统组成，可以实现大的场景、复杂的生产流水线、大型产品等的逼真展示。在博物馆、科技馆等地方都经常会看到这种系统的应用，把悠久的文物（历史的遗迹、历史事件的事物见证等）放置到虚拟、生动再现的历史氛围中去，赋予沉默文物以鲜活的生命，使历史事件、历史人物、古代文明在特定的现代艺术和高新技术相结合的状态下重现出来，大放异彩！在实验的过程中还发现一个问题，就是用两只眼睛观察时会感到图样不够清晰，且目

23、眩头晕，而只用一只眼睛观察能看到更清晰的图像。后来我通过百度明白这其中的原因，因为人的两眼有视差，且人体有视觉和体感两套平衡感觉系统，当二者信号不一致，人就会产生眩晕感，光线在不停的交错闪烁，视觉容易产生疲劳 所以会头晕目眩乏力。频闪法测定电扇转速l 实验原理频闪灯是每隔一定时间发出一次闪光，所隔的时间称为周期，它的倒数称为频率。频闪灯的频率可以通过调节频闪仪上的频率旋钮来调节，每秒频闪次数（即频率）可以从频闪仪面板的仪表上读出。当电风扇叶片转动时，频闪灯发出的频闪光照射在电风扇叶片上。调节频闪仪的频闪频率，若电风扇上各叶片转动一圈或几圈后又转到原来位置时，频闪灯闪亮一次，则由于人的视觉暂留效

24、应，看到第一次频闪时的叶片还没有消失，第二次频闪时的叶片又在同一位置上出现，所以看起来就象叶片静止不动一样了。显然当电风扇的叶片转动一圈时，频闪灯闪亮一次时所对应的频闪间隔最短（周期最小，也就是频率最大。这时频闪仪的频率就是电风扇的转动频率，即转速（单位为转/分或转/秒）。由于三个叶片形状相同，难以分辨，会出现误判，因此在电风扇的三片叶片上分别写A、B、C三个字母，以利观察。l 实验现象及数据记录从小到大调节频闪仪的频闪频率，当调到某一个频闪频率时，就会看到一个有趣现象：电风扇叶片“静止不动”，好象电风扇关掉一样，但是人能感觉到电风扇有风吹出。现象如左图所示。当频闪仪频率很大的时候，还会出现六

25、片甚至九片“静止不动”的情况！现象当前频率静止不动（三片）17.0Hz静止不动（三片）42.4Hz静止不动（三片）82.7Hz静止不动（六片）167.7HZl 小结或讨论在日常生活中也常会有这种错觉，例如：在日光灯下转动电风扇，如果转动速度与日光灯频闪的频率相近，但不相等，这时会看到电风扇“正转”或者“反转”如果转速不稳，又会看到一会儿正转，一会儿反转的现象。这是因为日光灯接交流市电50HZ，所以它的闪烁频率为50HZ。若在自然光或者LED等不闪光源下则看不到这种现象。还有就是在我们用手机拍照或者录像的时候会发现电脑、电视的屏幕以及日光管在屏幕上显示都会出现闪烁的情况，有的时候却没有。经过我的

26、分析，应该是手机（相机）采集图像时的的快门速度不同的原因，即当环境光线很亮时快门速度会自动降低，低于1S/50=20ms时就称快门速度比日光灯闪烁频率快，就会出现画面一闪一闪的情况；而环境光线较暗时快门速度提高，高于20ms时则和人眼一样将两次闪烁叠加在一起，最终的结果就是灯是一直亮着的。蜡烛熄灭后水面升高原因的实验探究l 实验原理燃烧是一种发热发光的氧化过程。在水面上点燃一支蜡烛，再用一个玻璃杯把它罩住，蜡烛火焰会逐渐熄灭，这原因是杯内的氧气被烧掉，不能继续维持燃烧所致。同时可以看到，杯内的水面升高了，显然，这表明杯内的气压降低了，杯内水面与杯外水面的高度差反映了杯内与杯外的气压差。有两种观

27、点可以解释这一现象：1.杯内气体中的氧气因燃烧而减小，因而氧气压强降低，使总压强也降低了；2.蜡烛熄灭后，杯内气体的温度降低，因而气体体积缩小，使其压强降低。l 实验现象及数据记录蜡烛数量杯外水面高度(cm)杯内水面高度(cm)水面高度差(cm)11.53.01.521.64.52.931.54.53.0实验数据记录在上表中，分别在烧杯中放入不同数量的蜡烛，用火柴点燃蜡烛，将烧杯放入水中，用一个玻璃杯把放着蜡烛的烧杯罩住，一段时间后蜡烛熄灭，待冷却一会后使用钢尺分别测量每次杯内外水面的高度，最后求出高度差。不同的蜡烛数量会产生不同的水面高度差。l 小结或讨论由实验数据可知，在只放一根蜡烛的时候

28、水面升高1.5cm，为了排除气体温度升高的影响，我们采取让它充分冷却后再进行测量的办法，最终证明产生这种现象的原因应该是蜡烛燃烧消耗掉了杯子内的氧气，导致杯内气压降低。而放入两根蜡烛时发现水面竟然升高了2.9cm，足足是上次的两倍！接着放入三根蜡烛，这次水面高度差和上次基本一致，还是3.0cm。经过我们的研究与讨论，得出的结论为只放一根蜡烛时并没有完全耗尽杯内的氧气，而当放入两根以上的蜡烛时可以完全耗尽水杯中的氧气，因为水杯的氧气就那么多所以最后的压强差是一样的，则产生了相同的水面高度差。后来我们有人提出蜡烛是碳氢化合物，在氧气中完全燃烧理论上会产生二氧化碳和水，由于蜡烛的化学成分主要是正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28