10个物理演示实验的基础原理及现象

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

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

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。

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

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