力学演示实验的研究 徐婷婷

中学物理实验报告实验名称力学演示实验的研究班级物理092 姓名徐婷婷学号 09180212 实验日期 2012/3/1 同组人一、实验目的①经历实验过程，应用所学的物理知识研究物理问题，从而解释教具中的科学原理。

②认识到教具的重要作用，关注物理学与生活的联系。

③在与他人的交流讨论中培养分析、解决问题的能力和交流、合作的能力。

二、实验器材1、微小形变演示仪器2、验证液体的表面张力仪器3、能量转换的演示仪器（1）麦克斯韦摆（2）动能势能演示仪（3）滚筒4、验证动量守恒仪器5、验证分子间内聚力的仪器6、演示重心的仪器7、演示离心力的仪器8、离心轨道9、验证惯性定律仪器10、水波演示仪11、验证做功与能量的转化仪器12、验证作用力与反作用仪器13、验证单摆周期与摆长的关系仪器三、实验过程及数据记录1、微小形变演示仪器以上两套仪器展示了微小形变放大的两种方法，一种是机械放大，另外一种是光放大。

机械放大的这套仪器通过杠杆放大将金属丝加热后热膨胀的微小形变展示出来。

实验现象可以通过安装在杠杆机械结构上激光笔放射的光斑向下移动的现象观察出来，也可以通过支撑杠杆的杆移动的角度来确定。

光放大法的这套仪器是利用光在均匀介质中的直线传播和平面镜组对光线的两次反射，由桌面的微小形变导致的两次反射角的变化使反射光线光屏上的明显移动来设计而成的。

另外，老师还介绍了另外一种微小形变放大演示仪器——细管液面升降放大显示瓶体形变。

双手用劲紧捏墨水瓶时，难以观察出瓶体本身的形变。

但是若在瓶中插入透明细管，通过透明细管中的有色液面的上升，就能使形变现象非常明显。

在物理实验教学中，经常会遇到要演示一些变化效应微弱的物理现象，为使实验效果明显，可见度大，通常采用放大手段。

细管液面升降放大法在热学演示实验中可以广泛应用。

在弹力的教学过程中可以运用微小形变放大的演示实验向学生说明物体在受到力的作用时就会发生形变。

在万有引力的教学过程中向学生介绍利用光放大测出万有引力常数的卡文迪许扭秤实验，从而展示放大这一重要的物理实验思想方法。

2、验证液体的表面张力仪器用细钢筋制成各种形状的模型，将模型在肥皂水中浸过之后拿出可以发现肥皂沫会在立方体的模型上形成以立方体几何中心为顶点的四棱锥，经过理论验证这是表面积最小的存在状态，可以证明由于表面张力的作用会让液面收缩到表面积最小的状态。

另外，在肥皂水中浸过的钢筋环会在表面形成肥皂膜，当用手指轻轻地将一边戳破，会发现绳子会由于表面张力的作用而向另外一边移去，这可以形象直观地展示表面张力的作用方向。

表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。

当用自来水浸过后并不会在模型表面形成膜，可以证明表面张力的大小与物质的性质有关。

3、能量转换的演示仪器（1）麦克斯韦摆麦克斯韦摆利用的原理是是势能与动能的转化。

将滚摆从一定的高度下落，滚摆会在重力的作用下下落，重力势能会转化为动能，所以滚秋具有速度，当下落到最低端，由于绳的拉力作用，滚球会顺着细线向上滚动，此时动能转化为势能。

于此反复，滚球就会不断的上下自由滚动，进行着势能和动能的转化。

通过展示麦克斯韦摆可以富有趣味性地展示动能和势能两种能量之间的转化，但是摆球最终会停下来，引导学生关注非理想条件下由于空气阻力和摩擦阻力消耗的能量这一不可避免因素。

（2）动能势能演示仪利用动能势能演示仪可以进行多组实验分别验证动能与弹性势能的转化、动能与重力势能的转化、摩擦力的大小与物体表面粗糙程度的关系等实验。

验证动能与重力势能的转化：将球摆上拉到不同的角度来改变高度，然后自由释放，球摆的势能转化为球摆的动能。

随后，球摆与平行导轨上的圆柱体发生碰撞，圆柱体获得动能在平行导轨上移动一定的距离。

通过改变摆球的大小或角度的大小来改变势能的大小。

装置将势能的测定转化为角度的测定，将动能的测定转化为长度的测定，实验现象形象直观。

验证动能与弹性势能的转化：将小球在不同的高度自由释放，下落的小球压缩弹簧转化为弹性势能，随后被压缩的弹簧带着小球向上弹起，弹性势能转换为动能。

探究摩擦力的大小与物体表面粗糙程度的关系：将球摆从相同的高度释放，通过比较表面光滑的圆柱体与表面粗糙的圆柱体移动的距离，可以得出摩擦力的大小与物体表面粗糙程度的关系。

（3）滚筒滚筒的实验富有趣味性，将滚筒放在地面上推出，滚筒滚出一段距离之后会自动滚回来。

其中的设计思想是滚筒内用皮筋悬挂了一个小锁，滚筒在向前滚的过程中动能转化为弹性势能，在向后滚的过程中弹性势能转化为动能。

4、验证动量守恒仪器本实验仪器以很直观的形式验证碰撞过程中的动量守恒。

当拉起仪器一端一定数目的小球并静止释放，被拉起的小球与静止悬挂的小球发生碰撞后，会有相同数目的小球离开竖直位置摆开一定的角度。

由碰撞的小球数目与被撞开的小球数目相同这一直观的实验现象，克服了动量守恒定律验证过程中动量难以测量的缺陷。

5、验证分子间内聚力的仪器将两个圆柱形铅块，当把端面刮平后，让它们端面紧压在一起，合起来后，它们不分开，而且悬挂起来后，下面还可以吊起一定量的重物。

这是因为分子之间内聚力的作用，内聚力是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力，这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。

在分子间相互作用力的教学过程中，可以用该实验展示分子间的相互作用力，并且由粘连的铅块可以悬挂相当多的重物说明分子间的内聚力的大小，由只有当两块铅块用力挤压时才会存在内聚力说明分子间的相互作用力与距离有关。

6、演示重心的仪器物理学上的平衡有三种：不稳定平衡、稳定平衡、随遇平衡。

简单地来说判断三种平衡的方法是：若任何微小的运动都能使其重心降低的物体，一定处于不稳定平衡状态。

若任何微小的运动都能使其重心降低的物体，一定处于不稳定平衡状态；若任何微小的运动都能使其重心升高的物体，一定处于稳定平衡状态；若任何微小的运动，既不能将其重心提高，亦不能使其重心降低之物体，一定处于随遇平衡状态之下。

上图实验仪器演示的“不倒翁”处于的平衡是稳定平衡，因为其重心比较低，任何微小的扰动都将使其重心上升。

因此，无论怎样拨动不倒翁都不会倒，前提是拨动不能太大。

7、演示离心力仪器离心力演示仪中，两个转盘之间用皮带相连接，在大转盘上装有手柄，在小转盘上装有塑料篮，由于大转盘与小转盘的线速度大小相等，大转盘角速度比小转盘小，通过一大一小转盘的设计可以实现角速度的增大。

当在塑料篮里面装上浸水的棉花，转动手柄，棉花不能给水提供旋转的向心力，水因此发生离心运动，离开棉花，从而实现甩干的效果。

这个装置很好地模拟了洗衣机中甩干机的工作原理，在曲线运动向心力的教学过程中，可以用这个装置展现生活中的离心运动，引导学生利用向心力的知识来解释这个实验现象。

8、离心轨道在离心轨道中，将小球在高处的轨道上释放，小球可以顺利到达竖直平面上圆形轨道的最高点，不会掉下来。

根据受力分析及小球所需向心力的分析，若当小球在最高点处于不会掉落也不会对轨道顶部产生压力的临界状态，此时有一个最小线速度的要求。

在动能和势能的部分教学环节中，这部分分析计算是习题中经常出现的内容。

利用该仪器可以设置一系列的连环问题，让学生进行解答，从而加深对该部分内容的理解。

9、验证惯性定律仪器在验证惯性定律的实验仪器中，一个金属球自由的放在支架上，有一块小铁片垫在金属球的下方，旁边是一个金属板，通过冲量可以使金属片射出。

本实验主要观察的是金属球的运动应该是怎样的，是静止在原地还是随同金属片飞出。

实验的结果是金属球静止在原地，此实验说明了物体具有保持原有的运动状态的性质，即惯性。

10、水波演示仪波是物理学中的一个重要内容，不管是水波、声波、光波或者其它类型的波，其原理或传播性质基本上都一样，因此水波的研究可起到触类旁通的作用。

通过水波演示仪可以展示关于波的多个实验，如波的传播、波的反射与折射、波的衍射、波的干涉等。

通过调节振动器的频率和振幅达到波的衍射和干涉的条件。

本实验利用投影仪将水的波动呈像在毛玻璃上，便于学生对实验现象的观察。

11、验证做功与能量的转化仪器以上两个实验装置分别展示了摩擦做功和压缩气体做功两种转化为热能的形式。

左图装置中，通过绳子摩擦金属管壁做功转化为热能，金属管内乙醚受热挥发体积膨胀，膨胀气体做功将金属管上的小木塞喷出。

右图装置中，迅速压下金属棒，金属棒压缩容器内的空气做功，动能转换为热能，达到浸有乙醇的棉花的着火点，棉花将会被点燃。

12、验证作用力与反作用仪器该装置中间有一个漏斗，漏斗的下面有两根细管，两根细管相互平行但是开口方向恰好相反。

从上面漏斗口向下倒水，水可以从漏斗里面流出，由于下面两个细管的出口不同，水流出的方向将也会相反，由于水与容器壁作用力与反作用力的的作用，漏斗会在盘内发生转动。

该装置利用的原理非常简单，在牛顿第三定律的教学过程中，利用该装置让学生观察思考作用力与反作用力，可以让学生发现物理学中简单而对称的美。

13、验证单摆周期与摆长的关系仪器用直尺将一排小球拨到相同的高度并静止释放，从装置的侧面观察，一排小球由于处于空间的不同位置而构成美丽的弧线。

这是利用了单摆周期与摆长的关系的原理制成的。

在单摆的教学过程中，可以向学生展示这个教具美妙的实验现象，进而引导学生探究单摆周期的影响因素。

四、实验体会物理对于很多学生来说是一门抽象深奥的学科，因为其中的很多定理和概念是抽象的难以理解的，通过本次实验使我意识到通过好的教具往往可以很好地激发学生的好奇心和求知欲，进而很好地克服物理教学枯燥深奥的缺陷。

总结归纳本次实验中的教具，可以发现一件好的教具应该是制作工艺简单的、实验现象直观的、实验效果富有趣味性或是优美的或是与学生的日常思维存在较大差异的。

因此在教具的设计过程中往往渗透了放大、转化、对称、守恒等很多重要的物理实验思想方法。

比如说多种放大微小量的方法是难以观察的物理量变得直观；动量守恒定律演示仪中将抽象的动量守恒定律转化为观察碰撞过程中小球的个数；麦克斯韦摆中将动能与势能之间的转化展现为上下上下滚动的滚摆；验证单摆周期与摆长的关系仪器使物理现象变得优美；滚筒实验使物理原理变得极富趣味。

传统的教具中有着很多优秀的典型，但是好的教具还是有待于从生活中去发现，正如马老师所说，“要做一个生活中实验的有心人，善于自己动手制作教具”。