力热学应用演示讲义

啄木鸟一、演示目的演示能量之间的转换。二、演示原理：停在金属杆顶端的啄木鸟具有重力势能，松开手后，啄木鸟在水平振动的同时下落。下落的啄木鸟重力势能不断减少，减少的重力势能不断转化为啄木鸟的动能和弹簧的弹性势能。这种能量之间的转化，使啄木鸟在水平方向不停的振动。在下落的过程中听到啄木鸟的敲击声，直到落到地面后停止。三、实验仪器：演示与探索实验室克隆一、演示目的演示力与压强的关系。二、演示原理：当手压在仪器上，手的重量会分散到各个钉子上，每个钉子承受的压力只有几克，钉子扎到手时也不会将手刺坏。三、实验仪器：演示与探索实验室能量穿梭机一、演示目的演示小球在电能、机械能、重力势能、动能的一系列转化过程中像穿梭机一样运动的过程。二、演示原理： 本装置有各种转轮、传送装置等，小球从高处滚下，由于重力势能的释放，转化为动能，使小球发生了一系列生动有趣的运动过程。三、操作与现象：1.打开演示装置上的电源开关，先把小球移到最高处，然后放下小球即可进行演示。2.实验结束，关闭电源。演示与探索实验室瑞林球一、操作方法通过双手控制铁棍，将球从下往上夹，夹的越高分值越高，利用钢珠的重力惯性是赢得比赛的关键。二、实验仪器：演示与探索实验室螺旋飞球一、演示目的演示向心力和离心力。二、操作与现象：小球在圆形的螺旋轨道上旋转，旋转的速度会发生神奇的改变。在旋转半径小的地方速度最快，在旋转半径大的地方速度最慢，并能在没有轨道托住的情况下旋转。演示与探索实验室最速降线演示一、演示目的演示曲线运动的快慢。二、操作与现象：比较直线和曲线轨道可知，轨道的前一部分，曲线轨比直线轨“陡”得多。受重力作用，球在曲线轨上滚动将先达到最大速度，虽然曲线轨道比直线轨道长，但因球速快，因此曲线轨上的球先到终点。演示与探索实验室五连球演示一、演示目的演示动量守恒定律和能量守恒定律。二、演示原理及操作： 由动量守恒和能量守恒原理可知，两个等质量刚性球弹性正弹时，它们将交换速度。五联球装置使参与者可自由组合联球个数，进行不同质量的交换速度碰撞的实验。将仪器放置在水平桌上，拉动一侧一个球或多个球使其偏开平衡位置，松手时，使其与余球碰撞，观察其他球跳起的情况，得到结论。演示与探索实验室滚摆演示一、演示目的演示机械能守恒定律。二、演示原理及操作： 将滚摆轴保持水平，均匀使悬线绕在轴上，待滚摆到达一定高度，使轮在挂绳悬点的正下方，放手使其平稳下落；在重力作用下，重力势能转化为轮的转动动能。轮下降到最低点,轮的转速最大，转动动能最大，然后又反向卷绕挂绳，转动动能转化为重力势能,轮的转速减小，位置升高。如此可多次重复。滚摆滚动下落的重力势能变为滚摆绕过质心的轴转动的动能和质心平动的动能。机械能守恒定律告诉我们滚摆的重力势能与滚摆的动能之和保持不变。演示与探索实验室共振摆演示一、演示目的演示共振现象。二、演示原理及操作： 两个完全相同的一维单摆系统在同一个轻质易转的水平轴上，一个单摆振动将通过轴的微动把振动能量传递给另一个摆。中间最大的球我们称为A球，本仪器中A球为策动力摆，当A球摆动时，其振动通过摆动片使其它各球也随之作受迫振动。策动力的频率等于A球的频率，并决定于它的摆长。可以发现，固有频率跟策动频率相等到的最两个球（最两边）振幅最大；固有频率跟策动力频率相差最大的两球（绳最长的与绳最短的球）振幅最小。演示与探索实验室不相溶液滴演示一、演示目的演示液体的不相容现象。二、演示原理及操作： 底部是普通电灯，上面置一个玻璃瓶，瓶内混合水与蜡，灯泡亮后形成热量，从底部传递到玻璃瓶，蜡受热后变轻，便会上升，到了顶部冷却便又掉下去，浮游效果便如此而来。大学物理实验中心演示实验室转动定理演示实验一、演示目的：演示观察角加速度与力矩和转动惯量的关系二、力矩、转动惯量力矩：力(F)和力臂(L)的乘积(M)．即：M=F·L．力矩是描述物体转动效果的物理量，物体转动状态发生变化．才肯定受力矩的作用．刚体以角速度绕定轴O转动时，体内各质元具有不同的线速度。如图1所示，设其中第i个质元的质量为，与轴O相距为，其线速度大小为，其动能为。

整个刚体的转动动能就是刚体内所有质元的动能之和式中，为刚体对轴的转动惯量I，故上式可写成。将物体的转动动能与平动动能相比较，也可以看出物体的转动惯量I对应于物体平动时的质量m。三、注意事项：仪器的边缘最好在桌子边缘，要让砝码竖直下垂。大学物理实验中心演示实验室转动定理演示仪使用说明书一、仪器结构如图：底台用滚珠轴承固定可自由转动的轴杆固定在转轴上的绕线轮转动系统上可沿水平杆位置可移动的重物（5）定滑轮（6）法码二、演示方法：用左右两套结构完全相同的装置作对比实验将二套装置上的重物固定在距轴都相同的位置上。将两套装置的线轮上绕等长的线绳，线绳上挂质量相同的砝码。将两砝码都绕到最高位置，同时施放两个转动系统。使它们在砝码的力矩下开始转动。可见两套系统在相同力矩作用下，转动惯量相同，角加速度和转速也相同。将一套装置上的重物固定在距轴最远处，而将另一套装置上的重物固定在距轴很近处。将砝码绕到最高位置，同时施放两个转动系统使它们在砝码的力矩下开始转动。可见重物靠近轴的系统旋转得较快，另一个较慢。说明当力矩相同时，转动惯量愈小角速度愈大。演示与探索实验室机械能守恒原理演示一、演示目的演示机械能中动能和势能的转换以及向心力。二、实验装置及操作1、让小钢球从最高处A点滚下，则小球可沿环形轨道运动一周后到达B处，而不跌落离开轨道。2、小钢球不是从最高处A点滚下，则小球离开环形轨道跌落下来。三、机械能守恒及向心力根据机械能守恒，小钢球从导轨的高处滚下的过程中，小钢球的势能转化成动能。由于导轨中有一部分环形轨道，因此，只有当小钢球具有一定的速度，它才能克服其向心力，顺利沿环形轨道运动一周。四、思考：1、为什么只有最高处，小钢球方可沿环形轨道运动到达B而不跌落？2、若A、B两点一样高，小钢球能到达B点吗？演示与探索实验室简谐运动与圆周运动等效演示一、演示目的通过对水平方向的简谐振动和在竖直平面内圆周运动在水平方向的投影之间的类比，说明简谐振动表达式中各量的含义。二、实验装置图三、注意事项：接通电源之前注意保证各运动部件活动正常。大学物理实验中心演示实验室简谐运动与圆周运动等效使用说明一、演示仪的结构简谐振动与圆周运动投影演示仪的结构如下图所示，其中a为正视图，b为侧视图。②③①⑧④⑥⑩⑤⑤⑦②⑨⑨①其中①支撑演示仪的竖直固定的长方形板；②是绕水平轴转动的圆盘；③是固定在圆盘②上的带帽圆柱形棒；④是可沿圆孔⑤沿水平方向位移的直杆；杆上固定一带帽的圆柱形棒⑥；⑦是长形的环形导轨。⑧电机，其轴与圆盘②固定；⑨导线；⑩开关。二、操作与现象演示1、将电源插座插入墙上220V电源插座上。2、接通电源开关。3、电动机⑧缓慢转动后，通过主轴带动演示仪正面的圆盘②以一定角速度沿竖直平面转动。4、固定在圆盘②上的带帽圆柱棒③（白色）以相同的角速度绕轴心做圆周运动。该带帽的圆柱带动竖直的导轨⑦。通过环形导轨⑦带动圆柱棒⑥（红色）并带动沿水平轴（设为x轴）位移的直杆④做往复位移。5、在上述运动过程中，可以看出做圆周运动的白色质点③在水平轴（x轴）的投影，⑥（红色）做简谐振动；其简谐振动的表达式：中，振幅A与做圆周运动的质点③（色点）的半径对齐，圆频率ω与圆周运动的角速度对应，而初位相与开始计时圆周运动的幅角（半径与水平轴x的夹角对齐）。三、注意事项：接通电源之前注意保证各运动部件活动正常。大学物理实验中心演示实验室共振现象演示一、演示目的该仪器利用长短不同的弹性钢片在周期性外力作用下作强迫振动，当弹性片的固有频率与强迫外力的频率相同时产生共振现象。调节频率，将在弹性片中可形成驻波。二、演示装置及技术参数：结构如下图所示1底脚2底座3弹簧4电机（转速3500转/分）5电机架6偏心轮7振子8振动杆9支架10顶丝三、实验内容：将仪器放置水平桌面上，接通电源，仔细调节电源电压，使电机转速逐渐增快，可观察到弹性钢片从长到短逐个振动，当调节到一定频率时，在较长的钢片中可形成驻波。演示与探索实验室阻尼摆和非阻尼摆演示一、演示目的演示涡电流的机械效应二、实验原理及装置在磁场中运动的导体，由于电磁感应，在大块导体内将产生涡电流，再据楞次定律，涡电流在磁场中受到的安培力必定阻碍导体的运动，这就是电磁阻力。装在摆上的导体片在磁场中摆动也要受到电磁阻力。改变导体片的结构，使涡电流减少，则阻尼力也将减少。三、实验操作及现象：1.先不通入励磁电流，使阻尼摆在两极间作自由摆动，可以观察到在轴尖处的摩擦力和空气阻力作用下，要经过相当长的时间摆才停止下来。2.接通励磁电源（12伏），则在两磁极间产生很强的磁场。当阻尼摆在两磁极间左右摆动时，根据愣次定律阻尼摆内产生感应电流（涡电流），感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，现在，引起感应电流的原因是来自摆的摆动，因此感应电流的效果是产生阻力，使摆动迅速停止。3.用非阻尼摆代替阻尼摆作如上实验，可以观察到其摆动仍需经过较长时间才停止。这是因为非阻尼摆上有许多隔槽，使得涡电流大为减小，从而使阻尼作用不明显。演示与探索实验室台式肥皂膜演示一、演示目的通过配置的肥皂液附着形成薄膜，可以演示薄膜振动、液体表面张力以及薄膜干涉。二、实验仪器1、液槽2、各种形状的不锈钢丝框3、肥皂粉和甘油三、注意事项：1、不要将水撒出。2、实验完成后将仪器清洗干净。演示与探索实验室台式肥皂膜演示仪使用说明书一、肥皂液的配制配制肥皂液很容易，可用蒸馏水（或自来水、过滤的雨水），在其中加入高泡沫洗衣粉，比洗衣服的浓度稍浓一点，达饱和状态，再加入少量纯甘油（不太纯的也可以），只要使在铁丝框上拉成肥皂膜能保留较长时间就可以了。二、操作方法振动实验把直径为40cm把60×20cm表面张力实验把12×7cm的长方型框架（如图4），放在肥皂液里浸一下，拉成一个肥皂膜。漆包线将肥皂膜分成两半，把漆包线一边的肥皂膜捅破，漆包线因肥皂膜的表面张力的作用而收缩到最小的程度，把它拉向边缘。放在投影仪上，课堂演示效果更好。用Φ7cm用Φ20cm取一个三通塑料管（如图7）在其下端右边的塑料管先浸上肥皂液，在上端橡皮管里吹进气，直到右边的肥皂泡有一定的体积。然后下端左边的塑料管再浸上肥皂液，继续吹气。这样右边的肥皂泡体积，左边的肥皂泡体积小，停止吹气，用大拇指按紧上端的橡皮管，可以看到大的肥皂泡逐渐变大，小的逐渐变小，直到消失，说明小肥皂泡里的压强大于大肥皂泡里的压强，这就证明了p与R成反比。将钢丝做成的四面体框和六面体框完全浸入肥皂液里，取出后可以看到，表面的肥皂膜收缩到最少面积。薄膜干涉实验白光照射肥皂膜所产生的美丽的彩色条纹带是光干涉的结果。用一个铁丝框浸到肥皂液里，轻轻拉起来，形成一个肥皂膜。把它竖直放置，用重力作用下，肥皂膜成为上面薄下面厚的尖劈状。用白光照射就可以看到美丽的彩色等厚干涉条纹带。当肥皂液慢慢向下流时，可以看到彩色条纹带在由窄变宽。若采用透镜成像光路，投影在墙上或屏幕上观察，可以得到很大的图象。当肥皂液向下流到一定程度（上半部薄到小于半个波长）时，再看反射光的干涉图象，上半部就出现暗区。这是肥皂膜前后两面反射的两列波的光程差接近于零，但从表面反射的那条光线发生了相位突变π的缘故，由于透射光强和反射光强是互补的，所以在薄膜的反射光干涉减弱而为暗区时，透射光为亮区，彩色光是互补的。如果用He-Ne激光代替白光照射，就只看到亮暗相间的干涉条纹，而且看到级次增多。三、注意事项：1、不要将水撒出。2、实验完成后将仪器清洗干净。演示与探索实验室能量转换轮一、演示目的演示电能、磁能、机械能、光能之间的相互转化。二、实验原理：本装置有一个大的转轮，轮子一圈镶有许多永磁铁。在轮子右侧上有一个通交流电的电磁铁。电磁铁通电时，产生交变磁场，电能转化为磁能；转轮内的磁铁在该磁场的磁力作用下带动转轮转动，磁能转化为机械能；旋转的轮使得永久磁铁的磁场运动，又使左侧闭合线圈中产生感生电流，被转化成电能，并通过发光二极管转变为光能。三、操作与现象：1.打开箱体前面板上的开关，使源盘右侧铁芯产生变化的磁场；2.轻轻转动大圆盘（内有永磁铁），使其转动起来，经过两磁场的相互作用，圆盘越转越快；3.观察圆盘左侧线圈中发光二极管的发光情况；4.实验结束，关闭电源。演示与探索实验室逆风行舟一、演示目的演示动量守恒原理的巧妙应用，加深对该原理的理解。二、演示原理：该仪器用来演示动量原理，特别是动量的矢量特点及其原理的实际应用。船可以逆风而行是因为风对船帆有作用力，且因帆的形状不同作用力方向也不同，调整好适当的帆形，船就可以逆风前进了，就像帆板运动员在风中要不断依据风向改变帆形使速度达到最快。这说明“船工行八面风”都是利用了动量原理。三、操作说明：先将船帆放在仪器左下方，开启风扇，模拟风的吹动，适当调节船帆的角度，放开船帆，即可看见小舟沿侧逆风的方向行进。四、注意事项：不要随意掰动帆的形状，船帆的角度应调整好，要让帆能使风改变方向朝正后方吹，可以近似地说，这类似于船向正后方“喷气”而得到向前进的动力。演示与探索实验室沙漏实验仪器：一、演示目的演示古代的计时装置。二、演示原理：该仪器利用沙子从小孔中下落为匀速的原理来计时。三、操作说明：将仪器翻转放置，让沙子从上面的容器中下落。待下落完成后，在翻转180度，又可重新开始计时。四、注意事项：轻拿轻放。演示与探索实验室小桶传球一、演示目的演示物体在重力作用下的运动及力矩的作用。二、演示原理：当有一小铁球落入右边的小桶时，重心由偏右变为偏左，因而小桶和铁球受的重力产生一个关于旋转轴的力矩使小桶沿逆时针旋转，当旋转到某一角度时，小铁球抛出并落入左边的桶中时，小桶的重心由偏左变为偏右，同样顺时针旋转并将小球抛入右边的小桶中，最后由左边的桶将小球抛入下面的盘中，整个过程均自动进行。三、操作说明：将以小铁球放入顶部小桶中令其自动下落，注意不要让铁球跌落到地板上。四、讨论与思考：在日常生活中哪些方面应用到力矩这一物理量？实验仪器：

演示与探索实验室孤波演示一、演示目的演示液体中的孤波现象。二、演示原理：孤波(solitarywave)是非线性科学(nonlinearscience)中最重要的三个概念之一。另二个为混沌(chaos)和分形。非线性科学研究总是把人们对“正常”事物、“正常”现象的认识转向对“反常”事物、“反常”现象的探索。孤波不是周期性振荡的规则传播，其波形为—孤立的大振幅波包。在传播过程中，该波包波形保持不变。波包的振幅及宽度，均与波速有关。孤波是非线性波动方程(KDV方程)的解，孤立波解象粒子一样的行为故叫孤立子。本演示仪器用低速马达驱动金属摆，在振动源上放置水槽，水槽中的水在振动的作用下，水波包向左右两端传播，继而由两端向中间汇合。通过本仪器的演示，可直观地观察到孤波现象。三、操作说明：打开仪器电源，观察水槽中水的振动动情况。通过调节发生器频率，使孤波产生。四、讨论与思考：孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。有人把孤子定义为：孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变。

孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。1834年，美国科学家约翰·斯科特·罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，在船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时14～15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2～3km才消失。他称这个波为孤立波。

其后，1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。从物理学的观点来看，孤子是物质非线性效应的一种特殊产物。

从数学上看，它是某些非线性偏微分方程的一类稳定的、能量有限的不弥散解。即是说，它能始终保持其波形和速度不变。孤立波在互相碰撞后，仍能保持各自的形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把孤立波称为孤立子，简称孤子。

由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。

1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子（soliton）就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。

孤子隧道：甚至磁场亦可具有孤子行为，这时孤子表现出另一个显著特征——“开隧道”的能力。一般而言，磁场能十分容易地穿过一块金属。这就是能够把钉子挂在磁铁一端，然后用这枚钉子吸起另一枚钉子的原因。但在超导金属中，磁的“透明性”被突然关闭。在临界温度处，即金属转变为超导体(它本身是一个孤子)的那点处，可以发现磁场突然不能进入其中。然而，若这一磁场变得再强一些、再大一些，则磁场中会存在一点，在此处将产生孤子式磁涡旋，它能渗透或开隧进入超导体。实际上，这是一个孤子穿过另一个孤子。演示与探索实验室虹吸一、演示目的用于虹吸原理及其应用的实验教学。二、演示原理虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动.利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。三、操作方法拉动导轨上的容器上升或下降，观察其余容器里水位的变化。四、注意事项1、玻璃制品，轻拿轻放！2、金属导轨请定时加润滑油。演示与探索实验室空气粘滞力演示装置一、演示目的演示空气中各层气体流速不同时，在层内存在粘滞力的现象。二、实验原理空气中运动物体表面上附着的空气与物体一起运动。两物体之间运动速度不同时，他们之间的空气就有了速度梯度，热运动使速度大的分子与速度小的分子相互交换，实质上是把动量传递过去，着就是空气粘滞产生的物理原因。由于空