演示实验

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物理演示实验要求
1. 预习内容: (1)将下面概念原理写在实验报告的预习部分。 衍射 光栅 驻波 电磁波 偏振片 起偏 检偏 力矩 角动量 角动量守恒 温差电动势 极性分子 非极性分子 静电感应 辉光放电 法拉第电磁感应定律 楞次定律 自感现象 互感现象 伯努利效应 涡电流 铁磁质磁化特点 电磁阻尼 等厚干涉。 (2)阅读后面的演示实验介绍(这里只介绍了实验室的部分演示实验)。(自愿购买演 示实验教材,可以参考我校图书馆《大学物理演示实验》(张智 主编,湖南大学 出版社)等有关物理演示实验教材, 也可以在网上查找资料和视频。)
实验现象看到即可,不要长时间通电,避免线圈过 热烧坏。 相关概念原理:涡电流 问题与思考:
互感概念演示仪
根据法拉第电磁感应定律,当闭合回路中的磁通 量发生变化时,会引起感应电流。因此从感应电流的 变化规律能够体现原电路的电流变化情况。本实验即 利用这个道理,使原电路产生的磁场穿过感应回路, 从而在感应回路中听到原电路的音乐。 注意事项:实验完毕关闭电源。 相关概念原理:磁通量 法拉第电磁感应定律 互感 问题与思考:两个螺线管怎样放置时,感应回路中效果最明显?
属球相碰中和剩余电量。 相关概念原理: 孤立导体静电平衡时表面电荷分布规律 问题与思考:为什么暴风雨时避雷针的顶部容易放电?
为什么暴风雨中应避免在空旷的地方行走?还应避免站在树下?
3
多功能涡电流仪
金属相对永磁铁转动时,在金属内部产生涡电流,涡电 流产生磁场。这个磁场与永磁铁的磁场相互作用,于是观察 到金属相对永磁铁运动。 注意事项:实验完毕关闭电源。铝盘转速高时不要碰。
静电除尘
静电除尘仪器的透明圆筒中间,是一根与四周绝缘的铜 丝,接维氏起电机的一个放电叉。圆筒上缠绕的铜丝接维氏 器电机的另一个放电叉。中间是空气。当维氏起电机给铜丝 形成的两个电极加电压后,在透明圆筒中形成轴对称的非均 匀强电场。在强电场作用下,灰尘粒子定向运动,灰尘便会 在电极附近聚集落下。 注意事项:实验完毕,一定将香灭掉,并中和维氏起电机放
上的剩余的电荷。 相关概念原理: 问题与思考:为什么开始时静止在下极板的小球向上极板跳跃?
将极板上的两鳄鱼夹互换,对实验结果是否有影响?
电介质极化模拟演示装置
平行板中间的细线上有很多极性分子模型,小 球分别代表极性分子的正负电荷中心。当给极板加 电压时,两极板之间产生电场,在电场的作用下正 负电荷中心分别向不同方向移动,在靠近极板处即 电介质表面处形成一层束缚电荷,束缚电荷产生的 电场,与电容器极板产生的电场方向相反,使极板 间总电场减小。 注意事项:实验完毕,中和掉维氏起电机放电叉杆上的剩余的电荷。 相关概念原理: 极性分子及其极化机制 非极性分子及其极化机制 问题与思考:极化后电介质宏观上出现了怎样变化?
7
爱情温度计
应用热胀冷缩原理。封闭玻璃腔内分上下腔,上下腔中间用虹吸管连接。使 用时两人手捂住下腔。下腔里有一半液体,一半空气。空气受热后体积膨胀,会 在下腔内形成压力。压力会作用于液体表面,直接把液体通过虹吸管压到上腔。 手越热,膨胀度越大,压到上腔的液体越多。手离开下腔后,液体会自动回复到 下腔。 注意事项:小心不要碰碎玻璃 相关概念原理:热胀冷缩 问题与思考:
是否存在干涉条纹?
偏振光演示仪
偏振片只允许沿某一特定方向的光通过,这个方向叫做偏 振化方向。偏振片通常是一种人工膜片,其中有大量按一定规 则排列的分子或晶粒等材料,对不同方向的光振动能够进行选 择性吸收,吸收某一方向的光振动分量,垂直于该方向的光振 动分量通过,而获得线偏振光,利用这个特性可以制成偏振片。 聚乙烯醇薄膜在碘溶液中浸泡后,在高温下拉伸、烘干,然后 粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。它有一个特定的方向, 只让平行于该方向的光振动通过,这一方向称为透振方向。
太阳、白炽灯泡等普通光源直接发出的是自然光。利用偏振片可以从自然光 中获得线偏振光。偏振片是常用的起偏器。偏振片也可以作为检偏器,即检测一 束光是否是线偏振光。实验中,光源发出的光经过两个偏振片。第一个偏振片起 到起偏器的作用,光经过后变成线偏振光。用眼通过两个偏振片观察光源,同时 转动一个偏振片,会发现光的强弱发生变化。当光最强时,两个偏振片透光方向 相同;当光最弱时,两个偏振片的透光方向垂直。 注意事项:实验结束后关闭电源。 相关概念原理: 偏振片 自然光 线偏振光 部分偏振光 问题与思考: 烈日下经常有人带偏光太阳镜,偏振光太阳镜的原理是什么?
互感与哪些因素有关?
角动量守恒演示仪
对于定轴转动的刚体,当不受外力矩时,刚体的角动 量守恒,即刚体对轴的转动惯量与绕轴的角速度乘积是常 量。如果改变刚体的转动惯量,则角速度会相应改变。用 手使红色球快速转动起来,然用力后上下移动立柱上的螺 丝,会发现球的转速快慢发生明显变化。 注意事项:用力适当。 相关概念原理:力矩 转动惯量 角动量 角动量守恒 问题与思考:体操运动员为什么要伸直身体落地?
电叉杆上剩余的电荷。 相关概念原理: 静电除尘 问题与思考: 为什么灰尘会向一个方向定向移动?
6
静电滚筒
当孤立导体带一定电量时,导体外表面是 等势面,表面外凸曲率半径越大(越尖锐)的 位置,电荷密度越大。所以尖端邻域有极强的 电场,使空气分子电离。空气中的带电粒子受 到电场的作用加速运动,形成离子风吹动滚筒 运动。 注意事项:注意排针尖端不要接触滚筒。
2. 实验课堂要求:对每个演示实验现象都应观察到,必须注意实验说明牌上的注意事项。 3. 实验报告书写要求:
自己选择感兴趣的实验,深入理解其原理,进行实验分析,必要时可以进行改进。 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。报 告内容不要过于简单。 4. 思考题: (1)等厚干涉磁致伸缩演示仪实验中, 干涉圆环半径扩大时镍棒变长还是变短? (2)汤姆逊温差电磁铁实验中,如何用实验确定闭合回路中的电流方向?是否可以用
太阳光直接照射到平玻璃上反射后是哪种偏振光?
5
热磁轮演示仪
热能转化为机械能的具体方式有多种,本实验 是一种。利用低居里点的金属材料做成的圆环,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。 注意事项:注意酒精灯的使用。 相关概念原理:居里点 问题与思考:
动起来?原因是什么?
尖端放电
当孤立导体带一定电量时,导体外表面是等势面。表 面外凸曲率半径越大(越尖锐)的位置,电荷密度越大, 所以尖端邻域有极强的电场。强电场使空气分子电离产生 带正负电荷的带电粒子,在尖端电场的作用下。形成离子 风,使火焰熄灭。 相关概念原理: 孤立导体静电平衡时表面电荷分布规律 注意事项:实验结束后,熄灭火焰,并中和掉剩余电荷。 问题与思考:尖端放电有很多实际应用,请举一些实际例 子。
验完毕,中和掉维氏起电机放电叉杆上 剩余的电荷。维氏起电机不要转动太快。 相关概念原理: 静电平衡时导体表面电荷分布 问题与思考: 滚筒为什么会转动?
尖端放电
静电跳球
两圆形极板中间放有金属球。当两极板分别带正、 负电荷时,金属球与所在的极板带有同号电荷。同号电 荷相斥,异号电荷相吸,小球受下极板的排斥和上极板 的吸引,跃向上极板,与之接触后,小球所带的电荷被 中和反而带上与上极板相同的电荷,于是又被排向下 极板。如此周而复始,可观察到球在容器内上下跳动。 注意事项:实验完毕,中和掉维氏起电机放电叉杆
辉光球
辉光球内部充有稀薄气体,辉光球中间是黑色球形电极 产生高频高强电场,内部稀薄气体原子在电场作用下发生电 离、激发、碰撞、复合等物理过程,同时发光。当手靠近或 接触球体时,会引起电场强度和电势发生变化,从而使发光 强弱分布改变。打开电源开关,辉光球发光。用手指尖触及 辉光球,立刻可见中间球形电极与指尖连接的辉光弧线变得 更加亮,并随着手指尖的移动而移动。 注意事项:严格禁止敲击辉光球体,以免打破玻璃。 相关概念原理: 辉光放电 问题与思考:辉光球内外空气压强是否相同?为什么手指处辉光放电强?
i = dQ / dt , iR + Q / C = ε ,
i = dQ / dt = (εC − Q) /(RC) , Q = εC(1 − e−t / RC ) , i = ε / Re−t / RC 。
从充放电电流变化可见,电流由初态到稳态过渡过程的长短,取决于 R 和 C 的 数值大小。一般将 RC 的乘积称为时间常数,用τ表示,即τ=RC,时间常数越大, 电路达到稳态的时间越长,过渡过程也越长。不难看出,RC 电路的过渡过程与 电容电压的三个特征值有关,即初始值、稳态值和时间常数τ。只要这三个数值 确定,过渡过程就基本确定。 注意事项:实验结束后,注意关闭电源。 相关概念原理: RC 电路的时间常数 问题与思考:为什么电路中采用不同电容时灯亮的时间不同?
磁吊
铁磁质被磁化时,铁磁质产生的磁场是外磁场的 数千倍。在强大的磁场作用下,能够吸引起很重的物 体。磁吊即利用这个原理吊起很重的物体。有很多起 重设备利用磁吊吊起和搬运重物,如 100KG~5000KG 的重物。 注意事项:重物不要离桌子太高,也不要远
离桌子,以免重物掉在地上。 相关概念原理:磁化 铁磁质附加磁场特点 讨论与思考:磁吊能吊起任何重量合适的物体么?
2
RC 电路时间常数演示仪
ε
K
i
R
C
RC 电路充
由于电容的充放电,使电路中的电流 i 变化有一个过渡过程。 本实验既是利用灯泡亮的快慢程度来定性显示这个过程时间长短。 以充电时 RC 电路时间常数的推导:
设 Q 为电容器极板上电量, t = 0 时, Q = 0 。电路中电流
4
偏振光干涉
在两偏振片之间放一厚度均匀材料,通过螺丝给该材料 施加压力,通过远离光源的偏振片观察该材料,会发现在施 力点附近有干涉条纹。而远离施力点处没有干涉条纹。对于 厚度均匀的材料,由于应力的存在,线偏振光经双折射后产 生的光程差主要与应力分布有关,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。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。转动偏振片,即改变两偏振片的偏 振化方向夹角,会发现施力点附近干涉条纹发生变化。 注意事项:试验结束后关闭电源 注意压力不要过大,实验结束时撤出外力。 相关概念原理:线偏振光 偏振光干涉 讨论与思考:如果在两个偏振片之间放置一厚度不均匀的透明材料,不施加压力,
(以放电为例推导 RC 电路中电流变化规律)
避雷针放电原理
当孤立导体带一定电量时,导体外表面是等势 面,表面外凸曲率半径越大(越尖锐)的位置,电 荷密度越大,所以尖端邻域有极强的电场。强电场 使空气分子电离产生带正负电荷的粒子,发生尖端 放电。若在建筑物上安装这种导体尖端,则在雷雨 季节可使建筑物上不致积累过多的电荷而遭雷击。 注意事项:实验结束后,将放电叉杆顶端的金
此实验测量温度?如何测量? (3)仔细观察光的衍射现象, 接收屏分别放在衍射屏不同距离处, 接收屏上的干涉图样
除大小差别外,是否还会有图案上的差别?如果有,请举例说明这种差别。
(部分演示实验介绍见后面的页面)
1
静电摆球
在两个圆形平行板中间悬挂一球体,当给两 极板加上适当电压时,顺时针摇动维氏起电机把 手给极板加电压,会发现摆球在两极板之间摆动, 撞击极板并发出“乒乓”声,因而这个实验又被称 为静电乒乓。原因是小球受到极板间的电场力。 相关概念原理:静电感应 注意事项:实验结束后,将维氏起点机放电叉杆 顶端的金属球相碰中和剩余电荷。 问题与思考:当球开始时处于极板中间位置,不容易动起来,采用什么办法使球
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