探索性实验(二)

探索性实验（二）山东交通学院物理实验中心孙海波2014年10月大学物理实验（2）1探索性实验二内容龙卷风科里奥利力回转仪演示多普勒效应角动量守恒演示角速度矢量合成机翼压差实验风洞实验电磁阻尼摆纳米磁液辉光球热磁轮演示巴克豪森效应演示窥视无穷梦幻时钟光线传像束透射光栅变换画互补色图像

同自己握手你我换脸会飞的碗2探索性实验要求课前预习：通过图书馆和网络资源了解演示实验内容。课堂要求：对每个演示实验现象都应认真观察，切记老师讲解的注意事项，严禁破环仪器。实验报告书写要求：（1）自己选择感兴趣的实验，深入理解其原理，进行实验分析，解答思考题，可以通过上网查找资料和视频。（2）尽可能多的查找相关的实验和应用，进行总结分析比较，报告中要指出资料的出处。写出自己实验体会。（3）实验报告请撰写到原始数据纸上，内容不要过于简单，要求4页纸以上。3（1）龙卷风4（1）龙卷风5（1）龙卷风6（1）龙卷风7【实验目的】1、了解龙卷风自然灾害现象。2、学习空气动力学知识。3、探究龙卷风产生的原因。【实验仪器】（1）龙卷风8【实验原理】

龙卷风实际上是一种小范围的剧烈旋转的空气涡流。在地面或者水面，由于太阳强烈照射而剧烈升温，空气受热膨胀，密度变得比上方的空气小，从而向上升。上升时绝热冷却，在降温或水蒸气自动凝结的外部条件下，促使高湿度空气的水分子凝聚，空气的压强会急剧下降，形成了相对于周围空间的大气负压，这时，周围的空气就会立刻进行补充。由于负压往往是从低温度的高空开始形成的，因而也就形成了自下而上，且周围向中心旋转的空气大漩涡，这就是龙卷风。（1）龙卷风9【实验原理】

在地球自转产生的科里奥利力的作用下，北半球的龙卷风是逆时针方向旋转，南半球的是顺时针方向转转。龙卷风的形成需要三个条件：湿润的空气，在不稳定的空气中形成塔雨云，高空风必须与低空风方向相反。三个条件满足后，产生切变。将上升的空气移走，可能形成龙卷风。

（1）龙卷风10【实验内容】在雾化器里里加入适量的水。将电源线接好，打开开关。仪器上面的排气扇开始排气，立柱的风扇工作，立柱上的小孔有气流排出。试验结束后，把雾化器里的水倒掉。（1）龙卷风11【注意事项】时间长了要注意定时注水，保持水位，以观察口能看到最低水面为准；实验结束后，要清理干净雾化器里的水，否则时间一长，里面的水会结垢，影响水雾的发生量。注意经常通风，以防止其他物品受潮。如果需要移动，不要提起四根支撑柱，可以横向拉动。（1）龙卷风12【思考题】这里产生的龙卷风与自然界的龙卷风有什么不同？为什么风扇停止时龙卷风就整个塌陷？你看过龙卷风吗？龙卷风有哪些危害，总结归纳一下。赤道不会出现龙卷风吗？

（1）龙卷风13【实验目的】

利用演示仪演示科里奥利力的存在【实验仪器】（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示14（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验原理】

科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。15（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验原理】

当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。从物理学的角度考虑，科里奥利力与离心力一样，都不是在惯性系中真实存在的力，而是惯性作用在非惯性系内的体现，同时也是在惯性参考系中引入的惯性力，方便计算。16（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验原理】

当小球在一作转动的圆盘上运动时，以盘为参照系，会受到惯性力。其中一部分是与小球的相对速度有关的横向惯性力称为科里奥利力，其表达式为：

17（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验现象】科里奥利力视频演示1科里奥利力视频演示218（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验拓展】

人们利用科里奥利力的原理设计了一些仪器进行测量和运动控制。质量流量计让被测量的流体通过一个转动或者振动中的测量管，流体在管道中的流动相当于直线运动，测量管的转动或振动会产生一个角速度，由于转动或振动是受到外加电磁场驱动的，有着固定的频率，因而流体在管道中受到的科里奥利力仅与其质量和运动速度有关，而质量和运动速度即流速的乘积就是需要测量的质量流量，因而通过测量流体在管道中受到的科里奥利力，便可以测量其质量流量。19（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示20（2）科里奥利力（Coriolisforce）演示【实验拓展】

陀螺仪旋转中的陀螺仪会对各种形式的直线运动产生反映，通过记录陀螺仪部件受到的科里奥利力可以进行运动的测量与控制。21【实验目的】1、演示回转仪保持其转轴方向不变的特性。2、演示进动现象。【实验仪器】（3）回转仪演示22【实验原理】

基本原理：刚体所受合外力矩为零时，动量矩守恒，刚体便在惯性支配下转动，其动量矩的大小和轴的方向将保持不变。回转仪是利用物体高速转动时转轴方向不变的特性制成的。如果没有外力矩作用，转轴方向恒保持不变，即使支架发生转动或其他变化，都不影响转轴方向。（3）回转仪演示23【实验原理】

均质的回转仪绕其几何对称轴高速转动，回转仪的转动轴可以相对支架的方位充分自由的选择，而回转仪仅受轴承与空气阻力矩的作用。由于轴承光滑，在不太长的时间内，阻力的冲量矩和回转仪的角动量相比是很小的，可近似认为角动量守恒，矢量方向不变表现为转轴方向不变，大小不变表现为回转仪的恒定角速率转动。回转仪有保持自转轴方向恒定的特性，被用于飞机航空地平仪，船舶的稳定器和回转罗盘等，在实际中得到了广泛的应用。（3）回转仪演示24【实验操作与现象】首先调节平衡体与回转仪部分平衡，用手转动圆环，使其快速转动，此时若转动底座，回转仪将保持其轴向不变。调节平衡体使横杆一头稍重，即施一力矩于回转仪上，一手扶住圆环使横杆保持水平，如上述方法使转轮迅速转动，松手后横杆并不倾斜，而将在水平方向上转动，即产生进动现象。（3）回转仪演示25【注意事项】

由于平衡体较重，操作时一定要旋紧螺钉，防止转动时脱出伤人。【实验思考】

为什么低速旋转不出现回转仪的定轴现象？（3）回转仪演示26【实验目的】

通过演示多普勒效应，进一步理解其原理。【实验仪器】（4）多普勒效应27【实验原理】

演示视频1

演示视频2

演示视频3

多普勒效应模拟动画（4）多普勒效应28【实验拓展】----------多普勒效应应用1、医学应用声波的多普勒效应用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。超声多普勒法诊断心脏过程是这样的：超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，激励发射换能器探头，产生连续不断的超声波，向人体心血管器官发射，便产生多普勒效应，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，反射信号就为换能器所接受，就可以根据反射波与发射的频率差异求出血流速度，根据反射波以频率是增大还是减小判定血流方向。彩超的临床应用：血管疾病、腹腔脏器、小器官、前列腺及精囊、妇产科。（4）多普勒效应29【实验拓展】----------多普勒效应应用2、交通应用交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印。3、航空应用

2014年3月8日马航MH370失联，17天后，马来西亚总理24日晚临时召开新闻发布会宣布：“根据最新数据，MH370航班在印度洋南部终结。”参与失联航班调查的国际海事卫星组织副总裁麦克洛克林解释说，他们运用多普勒效应理论，结合其他参考因素，在大量数据分析基础上给出了MH370的最终走向。（4）多普勒效应30【实验引入】直升飞机起飞视频无尾翼直升飞机模型起飞视频【问题思考】直升飞机尾翼的作用？（5）角动量守恒演示31【实验目的】1、掌握和理解角动量守恒原理，了解直升机尾翼的作用。

2、了解转动力矩平衡的原理。【实验仪器】

控制器直升飞机模型（5）角动量守恒演示32【实验原理】基本知识：转动惯量是刚体转动惯性的量度，转动惯量的大小反映了刚体转动状态改变的难易程度。刚体绕定轴转动的转动惯量为其中为质量元绕轴转动的转动半径。其对定轴的角动量为根据刚体定轴转动守恒定律，当系统受到合外力矩为零时，系统的角动量守恒，即则绕定轴转动的刚体，当对转轴的合外力矩为零时，刚体对转轴的角动量守恒。由几个刚体组成一个定轴转动系统，只要整个系统所受合外力对轴的力矩矢量和为零，系统的总角动量也守恒。（5）角动量守恒演示33（5）角动量守恒演示【实验原理】

直升飞机原理：直升机是一个由主螺旋桨与机身组成的二体系统。系统没有受到对转轴的合外力矩，该系统对于竖直轴的角动量应保持不变。飞机静止时，系统重的角动量为零。主螺旋浆转动，产生一个对轴的角动量，遵循角动量守恒定律，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。为了制止机身转动，就要开动尾翼螺旋桨，尾翼螺旋桨推动空气，产生一个力矩，由角动量原理，该力矩可以阻止机身的转动。由于直升机尾巴较长，力臂较大，因此尾翼螺旋桨只需要较小的功率即可平衡机身的转动。34（5）角动量守恒演示【实验内容】操作要点：扳下机身螺旋桨控制按钮，观察到机身和螺旋桨沿着相反的方向旋转起来；加大（或减小）螺旋桨转速，机身的转速也将随之加大（或减小）。再扳下尾翼螺旋桨控制按钮，（注意开关的方向与机身螺旋浆控制开关的方向应一致），尾翼螺旋桨旋转，机身转速变慢；调整尾翼螺旋桨转速，直至机身不再旋转。35（5）角动量守恒演示【注意事项】

两个控制开关的方向一定要一致，否则不但不能使机身平衡，反而会使机身越转越快。实验过程中切勿触碰飞机模型，开机时间不宜过长，以免损坏。螺旋桨的速度不要过大，否则尾翼的力矩将不能平衡机身的转动。实验结束时，须调节速度至最小后再关闭电源，以免下次启动时损坏设备。36（5）角动量守恒演示【实验拓展】思考：直升飞机的螺旋桨和尾翼有什么作用？有的直升飞机装有双螺旋浆，请对它的作用和原理做出解释。举出不少于3个日常生活中角动量守恒的应用实例动量守恒定律。

37（6）角速度矢量合成【实验目的】

通过角速度矢量合成演示仪，演示角速度物理量是一个矢量，其合成角速度矢量与二分角速度矢量间遵守矢量合成的平行四边形法则。【实验仪器】38【实验原理】

角速度是一个矢量，它的方向由右手螺旋法则决定，如图1所示。如果刚体球参与两个不同方向的转动，其角速度分别为、，则刚体球合成转动的角速度为，即遵守平行四边形法则（如图2）。（6）角速度矢量合成39【实验拓展】

上网或图书馆查找其它角速度矢量合成的例子，并对现象和原理做出解释。（6）角速度矢量合成40【实验引入】

飞机起飞视频思考：大型飞机如何起飞？基本原理是什么？（7）机翼压差实验41【实验目的】

通过实验了解流体的伯努利方程的应用，并了解飞机机翼因上下压差产生升力的原理。【实验仪器】（7）机翼压差实验42【实验原理】

伯努利方程表述为：对于由不可压缩、非粘滞性流体流线组成的流线上的各点，其压力和单位体积的机械能（动能势能）之和为常数，即对于流线上的任意点，均有下式成立：其中p为压力，v为流速，为流体密度，h为相对高度，g为重力加速度。另外根据流体的连续性原理，在一个流管中，流体的横截面S与流速v间有关系：（7）机翼压差实验43【实验原理】

所以当高速气流在飞机机翼上下两经过时，因机翼上方凸起，气流经过的横截面S较小，故气体的相对流速较大；而机翼下部呈凹形，气流经过的横截面S较大，气体的相对流速较小。根据伯努利方程，流速大的地方气体的压力较小；流速小的地方气体的压力较大，所以这就使飞机的机翼上下产生压差，形成了向上的升力。（7）机翼压差实验44【实验内容】

本实验装置上有一个机翼模型，把气源打开对着机翼吹风即可进行飞机机翼压差升力的演示。（7）机翼压差实验45【实验仪器】（8）风洞实验46【实验拓展】思考题：1.飞机机翼为什么做成上凸下平的形状？

2.如果换成椭圆形的模型还会起飞吗？拓展：风洞模拟实验的不足：风洞实验既然是一种模拟实验，不可能完全准确。概括地说，风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。与此同时，相应也发展了许多克服这些不足或修正其影响的方法。（8）风洞实验47【实验拓展】风洞模拟实验的不足：边界效应或边界干扰真实飞行时，静止大气是无边界的。而在风洞中，气流是有边界的，边界的存在限制了边界。支架干扰风洞实验中，需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在，产生对模型流场的干扰，称为支架干扰。不能满足的影响风洞实验的理论基础是相似原理。相似原理要求风洞流场与真实飞行流场之间满足所有的相似准则，或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。

（8）风洞实验48【实验目的】

通过演示加深对楞次定律的理解【实验仪器】（9）电磁阻尼摆49【实验原理】楞次定律：当一个闭合回路中磁通量发生变化时，会产生感生电动势，这个感生电动势在导体中形成的感生电流的磁场会阻碍闭合回路中原磁通量的变化。在导体中产生的感生电流因其为闭合的环状，所以又称为“涡流”。

（9）电磁阻尼摆50【实验原理】

本仪器分别用一片平面金属片和梳状金属片做成摆的形状，让它们以摆动的形式从一对磁铁的磁极中间穿过。平面金属片经过磁极附近时，因磁通量发生变化，在金属片内产生环状的涡流，该涡流的磁场与原磁场有抵触，对平面金属片的运动产生电磁阻尼作用，从而使平面金属片很快停顿下来。而梳状金属片经过磁极附近时，虽然磁通量也发生变化，但在梳状结构的金属片中不能形成环状的涡流，所以不会产生涡流磁场，也就不会受到电磁阻尼，它会像普通的摆那样正常地进行摆动（9）电磁阻尼摆51【实验内容】1、平面金属片摆动：不加电压-------自由摆动-------长时间停止施加电压-------阻尼摆会迅速停止----强磁阻尼2、梳妆金属片摆动：不加电压-------自由摆动-------长时间停止施加电压无明显变化电磁阻尼摆演示视频（9）电磁阻尼摆52【注意事项】在摆动过程中要注意调整摆平面与磁极间的间距，不要和磁铁有直接的接触。注意不要长时间通电，以免烧坏线圈。（9）电磁阻尼摆53【实验拓展】思考题：列举电磁阻尼的实际应用电磁阻尼现象广泛应用于需要稳定摩擦力以及制动力的场合，例如电度表、电磁制动机械，甚至磁悬浮列车等。依靠电磁阻尼原理将传统的ABS刹车系统进行了改造，以适应电动汽车的刹车制动。并在一些细节上对传统的ABS进行了优化。（9）电磁阻尼摆54【实验拓展】相比较传统ABS的优点：

1．本制动系统，从踩下刹车系统就开始工作，开始时间比较传统ABS快；2．没有机械刹车制动系统，不会有刹车片的磨损。因为不会有刹车片的磨损，也就不会因为刹车板在工作是因为磨损而碳化失灵；3．传统ABS采用点刹，本系统采用的刹车系统使用线刹（即一直维持在20％的滑移率）通过改变电磁铁线圈中电流，不但可以改变电磁力的大小，而且可以改变电磁力的方向。（9）电磁阻尼摆55【实验目的】

观察纳米磁液的超顺磁性，流动性。【实验仪器】（10）纳米磁液56【实验原理】

纳米磁性液体简称纳米流体，它是由单分子层（2nm）表面活性剂包覆的，直径小于10nm的单畴磁性颗粒高度弥散与某种载液中而形成的稳定“固液”两相胶体溶液。处于磁场中的磁流体既具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的磁性，是一种性能独特，应用广泛的新型纳米液态功能材料。在外磁场作用下会显示出奇异特性。（10）纳米磁液57【实验原理】

磁流体的应用基础是它可以被控制、定位、定向与移动，即通过控制它的流变性，调节它在使用中的磁力强度、流动方向、磁性材料颗粒的聚集形式和浓度，从而能改善一些领域内现有产品结构，制造工艺和使用性能。根据它的“物性变化”，可以研究压力、流量、磁力等传感器；根据它的“保持作用”，可以研究密封润滑、阻尼散热、负载保持等；根据它的“流体运动特性”，可以研究制导、液滴变形、位置控制等。目前对纳米磁液的研究和应用已扩展到航天航空、电子、化工、机械、冶金、仪表等各个领域。（10）纳米磁液58【实验内容】

纳米磁液实验装置包括一个玻璃容器、磁液、磁铁。实验时将磁液倒在玻璃容器中，将磁铁慢慢靠近玻璃容器底部，在外加磁场的作用下，纳米磁液显示磁性，并顺着磁力线的方向显示出针状，外加磁场强度越强，这种针状越明显。当外磁场消失时，纳米磁液恢复原状。（10）纳米磁液59【注意事项】

实验过程中不要将容器倾斜，严禁将容器倒置。【思考题】

查阅资料，了解纳米磁液在工业生产和生活中的应用，写一篇短文向大家介绍纳米磁液的各种特性。（10）纳米磁液60【实验目的】

观察低压气体在高频强电场中产生辉光放电的现象，了解辉光放电的原理

。【实验仪器】（11）辉光球61【实验原理】

辉光放电（glowdischarge）原理介绍：在一个置有板状电极的玻璃管内充入低压气体，当两极间的电压增加到一定数值时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能撞击阴极，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。管内出现美丽的发光现象，这就是辉光放电。辉光放电的特征是其电流强度较小，温度不高，放电管内有特殊的亮区和暗区。辉光放电可分为阴极辉层、克鲁克斯暗区、阴极辉区、法拉带暗区、阳极辉柱、阳极辉层和阳极暗区。气压继续降低，阳极辉柱辉光减弱并出现明暗相间的辉纹。（11）辉光球62【实验原理】

辉光球又称为电离子魔幻球。它的外观为直径约30cm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，所以发出的光是一些辐射状的辉光，绚丽多彩，光芒四射，在黑暗中非常好看。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。（11）辉光球63【实验原理】

辉光球发光实质是气体分子的激发、碰撞、电离、复合的物理过程，玻璃球内充有某种单一气体或混合气体，球内电极接高频压电源，手指轻轻触摸玻璃球表面，人体即为另一电极，气体在极间电场中电离、复合、而发生辉光。所以辉光球发光是低压气体（或叫稀疏气体）在高频强电场中的放电现象。（11）辉光球

64【实验内容】1、打开电源开关，即可观察到辉光球从中央电极向四周发出绚丽多彩的辉光。

2、用手指轻触玻璃球的表面，辉光产生的弧线会顺着手的触摸移动而游动扭曲，随手指的移动而起舞。【注意事项】

实验过程中严禁敲击、用力拍打、挤压玻璃球，以防打破玻璃。（11）辉光球65【思考题】为什么用手指靠近辉光球表面时，辉光线就会向手指的方向聚集，并随手指而移动。在自然界中也存在气体放电产生辉光的现象。北极光就是一种辉光，它是位于海平面以上800—100Km高空的气体，由于受到外层空间高速粒子的轰击而发出冷辉光所形成的极光束。请你通过查找资料，进一步了解北极光由来、极光现象及形成条件，写一篇短文，向大家介绍这一自然现象。（11）辉光球66【实验拓展】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。疾病辉光：在医学领域，根据人体发出的冷光信息，不仅可以判断一个人的健康状况，还可以用来诊断疾病。在疾病发生前，体表的辉光会发生类似太阳的“日晕”现象。一般认为呈红亮色的光说明健康状况良好，呈灰暗色的辉光则说明病重。爱情辉光：在男女交往中，人体辉光还是爱情的标志。前不久，美国学者在一家照相馆利用一种高科技微光检测仪对一些拍摄订婚照、结婚照的男女进行观测，发现情侣手挽手拍照时，女性指尖上的光晕特别亮，并向男方指尖延伸过去；而男子的指尖光晕却会略微后缩以顺应女性的光圈。（11）辉光球67【实验拓展】意识体能辉光：科学家预测：人体辉光还可以应用于其他方面，有的科学家把人体辉光用到犯罪学中去，因为人体辉光会随着大脑思维方式、行为意向的变化而产生不同的晕圈。对犯人也能进行“人体辉光监控”，如犯人企图说谎，身上的辉光便辉出现种种彩色斑点交替闪耀跳动。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”。（11）辉光球68【实验目的】1、演示铁磁物质在温度超过居里点后铁磁性消失，变为顺磁性的物理现象；

2、加深理解顺磁性、铁磁性的概念，理解居里点。【实验仪器】（12）热磁轮演示69【相关知识】1．磁介质：是指在磁场中的介质在磁场作用下，其内部结构发生变化，并反过来影响磁场分布的物质。磁介质在磁场作用下内部状态的变化我们称之为磁化。根据磁介质的磁化特性，分为顺磁质、抗磁质和铁磁质。2．顺磁质：就是指磁化后的磁介质所产生的附加磁感应强度与真空中的磁感应强度方向相同，换句话说就是增强了原有的磁场。我们称这种磁介质为顺磁质。反之就是抗磁质。（12）热磁轮演示70【相关知识】3．铁磁质：如果激发的附加磁感应强度比真空的磁感应强度大的多，我们就称之为铁磁质。铁磁质的特性有：（1）能产生特别强的附加磁场，使铁磁质中的磁场增强102—104倍。（2）铁磁质的磁导率不是恒量，而是随所在处的磁场而变。（3）铁磁质的磁化具有磁滞现象。在外磁场撤消后，铁磁质仍能保持原有的部分磁性。（4）铁磁质具有一临界温度称为居里点，在居里点，磁性发生突变。当温度在居里点以上时，铁磁质转化为顺磁质。各种材料的居里点不同，如铁是1040K，镍是631K，钴是1388K。（12）热磁轮演示71【相关知识】4．居里点或居里温度：是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。（12）热磁轮演示72【实验原理】

物质的磁性可分为抗磁性、顺磁性和铁磁性三种。具有铁磁性的物质称为铁磁体。铁、钴、镍等元素及其多种合金就是铁磁体。在铁磁体中，相邻原子之间存在着非常强的交换耦合作用，这种相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，自发磁化只发生在微小的区域（体积约为，其中含有1017～1021个原子），这些区域称为磁畴。在没有外磁场作用时，在每个磁畴中，分子磁矩均趋向同一方位，但对不同的磁畴，其分子磁矩的趋向各不相同。因此对整个铁磁体来说，任何宏观区域的平均磁矩为零，物体不显示磁性

（12）热磁轮演示73【实验原理】

当铁磁物质被加热到一定温度时，由于铁磁物质内分子运动加剧，磁畴被瓦解，物质的铁磁性立刻消失，转变成顺磁性物质，这个重要的临界温度称为居里温度。纯铁的居里温度大约是767℃，镍的居里温度大约是380℃。（12）热磁轮演示74【实验原理】

利用低居里点的金属材料（镍丝）做成的圆环，在其边沿附近放一永磁体，在整个圆环处于同一温度时，永磁体对环的静磁力是关于磁场中心和圆环中心的连线而对称的，因此圆环在磁场中受力而不受力矩的作用。若在永磁体旁边放一酒精灯，烧灼圆环的某处，酒精灯焰烧灼处的温度若高于圆环材料的居里点，则该处将发生相变而由铁磁质变成为一般的顺磁质，永磁体对该点的吸引力将大大减弱，此时圆环受的永磁体的吸引力产生了关于圆环中心的力矩，此力矩使圆环转动起来。低居里点的金属圆环的各部分不断地进入高温热源区，不断地被加热、相变、产生力矩，圆环便持续地转动起来。（12）热磁轮演示75【实验内容】1．点燃酒精灯，放在转轮下面偏离磁极一侧，使靠近磁铁的镍丝部分在磁场中的一侧被加热。当达到居里点时，被加热的镍丝失去铁磁性，转轮在磁场中受力失去平衡，因而受到一力矩作用，转轮将向一个方向转动。

2．将酒精灯移走，转轮将慢慢停止转动。待转轮完全停止转动后，将酒精灯放回，但加热部位靠近另一侧，转轮将向另一个方向转动。

3．换一个铁丝转轮做实验，加热部分应靠近磁极处。由于铁的居里温度较高，转轮转速很慢。

4．通过对比镍丝转轮和铁丝转轮在加热之后的转动情况，加深对居里点的认识。（12）热磁轮演示76【实验视频】（12）热磁轮演示77【实验目的】

用巴克豪森效应演示仪来演示铁磁体磁畴的内摩擦现象。【实验仪器】（13）巴克豪森效应演示装置图原理图78【实验原理】

铁磁性物质在外场中磁化实质上是它的磁畴存在逐渐变化的过程，与外场同向的磁畴不断扩大，不同向的磁畴逐渐减小。在磁化曲线最陡区域，磁畴的移动会出现跃变，尤其硬磁材料更是如此。（来源：百度）本实验是把畴壁跃变引起的磁化跃变用声音显示出来。（13）巴克豪森效应演示79【实验原理】

铁磁质的磁化规律表现为相对磁导率很大，且磁化过程不可逆。具有这样两个特点的根本原因是铁磁质内存在自发磁化的磁畴，以及磁畴磁矩要改变方向需要克服一定的内摩擦阻力。铁磁质的磁化过程，是在外磁场的作用下，趋向外磁场方向的磁畴得以发展和扩大，逆向外磁场方向的磁畴被排挤压缩，磁化过程表现为原子磁矩的转向和磁畴壁的移动，这一过程要受到内摩擦阻力的影响。由于内摩擦阻力的存在，在外磁场改变时，内部磁畴要克服此阻力，这一过程将产生振动。本实验就是把这种振动经放大变为声音播放出来，借以演示磁畴的特性。（13）巴克豪森效应演示80【实验内容】1、线圈无样品：永磁铁靠近----无声音2、线圈放入铁镍合金：永磁铁靠近----沙沙响声如果永磁体移动得很慢，喇叭发出噗噗的响声。当永磁体不动时，响声立即停止；继续向前移动，喇叭又发出响声，离合金片越近声音越大。当永磁体慢慢离开线圈时，喇叭也发出响声，但是比移近时要小。永磁体离得越远声音越小，直到没有响声。磁极方向不变，再将永磁体移近线圈，坡莫合金片再次被磁化，不同之处是响声比第一次磁化时声音要小一些。3、线圈放入钢片：声音很小。4、线圈放入铝片或铜片：无声音。（13）巴克豪森效应演示81【实验视频】（13）巴克豪森效应演示82（14）窥视无穷【实验目的】

通过演示使观众观察到一组平行平面镜对同一个立体物的景像进行反复多次反射得到的不断伸远的、无穷无尽的相似图像的光学现象。【实验仪器】83（14）窥视无穷【实验原理】“窥视无穷”是由一个物体在两个相互平行的平面镜之间经过反复许多次反射后在人眼中形成的许许多多虚像的叠加。其光路原理图如下：84（15）梦幻时钟【实验目的】

通过演示说明视觉暂留的原理。【实验仪器】85（15）梦幻时钟【实验原理】

本演示仪器采用一排发光二极管固定在一根可快速移动的直杆上。在不同的时刻，直杆上的发光二极管按预先设定好的不同的编码发光，如果把直杆快速移动，则直杆在空间的不同位置时，有不同的发光管在空间的一些特定的点发光，由于直杆移动很快，光点的切换也很迅速，故这些空间不同位置的、特定的点发出的光，按视觉暂留的原理，人眼可把这些在不同时刻、不同空间位置出现的亮点连在一起，形成一些特定的图案或时钟数字等。86（15）梦幻时钟【实验思考】

请查阅资料，解释什么是视觉暂留现象？并列举生活中视觉暂留的例子87（16）光线传像束【实验目的】

了解光纤传输原理.【实验仪器】88（16）光线传像束【实验原理】

光纤：一般是指由透明介质构成，直径与长度之比小于1:1000的细丝。光线从光纤的一端入射，沿着光纤传播，最后从另一端出射。单条光纤只能传光，不能成像。如果将许多光纤固定在一起，构成光纤束，就可以将具有一定面积的像面通过每根光纤，逐点地将像由光纤束的一端传至另一端。根据光纤传输光线方式的不同，可以将其分成两大类，一类是由均匀透明介质构成，光线在光纤内部通过表面的全反射和直线传播进行传输，称为全反射光纤或阶梯型光纤；另一类光纤由非均匀介质构成，中心折射率高，边缘折射率低，光线在光纤内部沿着曲线传播，称为梯度折射率光纤。这两类光纤传播光线的方式不同，应用的范围也不同。89（16）光线传像束【实验原理】

传像光纤主要由全反射光纤构成。光纤传像束的原理用于传像束的光纤必须有很好的外包层。用传像束传像有许多特殊的优点，如长度和空间无严格限制，具有很大的数值孔径，没有像差。它的缺点是：光纤束中的少数光纤可能被折断，使输出像面上出现盲点；输入输出端的排列形状可能有变形，引起像的变形；只存在一对共轭面，而且景深很小；分辨率受光纤直径的限制。如果要使图像传送得更清晰，就要尽可能选用直径较小的光纤，因为光纤越细，在一定的传像束上就能容纳进更多的光束，这样就能传送更多的像元。显然，像元越多，图像就越清晰。90（17）透射光栅变换画

【实验目的】

观察光栅分像现象，了解分光光栅【实验原理】

立体画的本质是柱镜的分光和人脑的合成。人眼观看物体之所以有立体感，是因为人有两只眼分别从不同的角度看到物体的一个侧面，这两个像经人脑合成就成为物体的立体像。立体画是两个像的重叠，为使两像分别映入人的左右眼，像面上覆以一层由柱镜条状透明带组成的膜，两像经膜上柱镜分光向左右偏射，使看照片的人左眼看到左像，右眼看到右像，经人脑合成为立体印像。91（17）透