大学物理演示实验

光学分形
【实验目的】：感知光学分形。
【实验仪器】：光学分形演示仪。
【实验原理】：分形是一种具有自相似特性的现象、图像或者物理过程。在分形中，每一组成部分都在特征和整体上相似。除自相似性以外，分形具有的另一个普遍特征是具有无限的细致性。即无论放大多少倍，图像的复杂性依然丝毫不会减少。但是每次放大的图形却并不和原来的图形完全相似，即分形并不要求具有完全的自相似特性。本实验利用互成一定角度的多个反射镜对同一个图案进行多次反射，构成一个复杂图像，体现分形的基本概念。
【实验步骤】：打开电源即可观察到由多个相同图案构成的半球形图像。


磁光调制演示仪


实验目的：
1.演示对于给定样品介质光振动面的旋转角与样品介质的长度及磁感应强度成正比的规律；
2.演示磁致旋光与自然光的区别。

实验原理：
1945年，法拉第（Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象，当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，亦即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来称为法拉第效应。法拉第效应有许多应用，它可以作为物质研究的手段，可以用来测量载流子的有效质量和提供能带结构的知识，还可以用来测量电路中的电流和磁场，特别是在激光技术中，利用法拉第效应的特性可以制成光隔离器、光环形器和调制器等。
法拉第效应与自然旋光不同，在法拉第效应中对于给定的物质，光矢量的旋转方向只由磁场的方向决定，而与光的传播方向无关，即当光线经样品物质往返一周时，旋光角将倍增。本实验装置可方便地演示以上现象。
磁光效应综合实验仪，是一台综合研究磁光效应的实验仪器，通过该实验仪可以学习法拉第效应的原理，并通过偏振光正交消光法测量样品的费尔德常数，还可以通过磁光调制的方法确定消光位置，从而提高测量精度，这种由浅入深的测量方法使学生理解测量的科学方法。并通过调制的方法可以精确测量不同磁光样品的光学特性和特征参量，另外该仪器可以显示磁光调制波形，观测磁光调制现象，研究调制幅度和调制深度的原理。


声聚焦演示装置
实验目的：
通过该装置使学生体验抛物反射面对声波的反射与聚焦的作用。

实验原理：
图19-1所示为抛物反射面的截面图，F为其焦点，MN为抛物面的准线。A1P1和A2P2任意传来的两条声波，它们的延长线和准线相交于Q1和Q2点，根据抛物面的性质：
P1F=P1Q1， P2F=P2Q2

，A1P1+P1F=A2p2+P2F ，[A1p1F]=[A2P2F]

图19-1 图19-2
上式表明平行于轴的各声线到达焦点F的声程相等。反之平行于轴的声波必交于焦点F。
图19-2所示为声波传播的路线。当一声源放在左边的焦点处，声波将被抛物反射面以平行于其轴线方向向右反射出去，此平行声波射到右面反射面时，被反射的声波聚交于右边的焦点处。
实验操作：
两个学生参与演示，一学生站在焦点处，面对反射面说悄悄话。站在焦点处面对该反射面的学生将能清晰地听到对方的说话声，体验到抛物面对声音的反射和聚焦作用。


神奇的辉光球
实验目的：
1、探究低气压气体在高频强电场中产生辉光的放电现象和原理。
2、探究气体分子激发，碰撞，复合的物理过程。

实验原理：
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。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。辉光球工作时，在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场。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。
实验操作：
1.打开电源开关，辉光球发光；
2.用指尖触及辉光球，可见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。

讨论与思考：
1.日光灯的灯管用圆柱形玻璃管制成，实际上是一种低气压放电管，内壁涂有荧
光物质。辉光球可否点亮日光灯？
2、辉光球内的气体压强与外界一样吗？
3、如果换种气体充入辉光球内会有怎样的变化？

注意事项：
不可敲击辉光球体，以免打破玻璃。


回转仪
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。

实验原理：
所谓回转仪，就是绕几何对称轴高速旋转的边缘厚重的物体，它表现出一些奇妙而有趣的特征。常平架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。
均质的回转仪绕其几何对称轴OO′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。
实验操作：
1. 将电机电源接通

，脚踩脚踏开关，启动电机。
2. 将回转仪四个外环调整到同一平面内，把回转仪的转子放在电机的旋转轮上，转子在电机的带动下高速旋转起来，放开脚踏开关。手持转子，任意改变外环的方向，可以看到转子的方向始终保持不变（即陀螺定向）。
3. 将高速旋转的陀螺放在插座上，可以观察进动和回转现象；
4. 将高速旋转的陀螺放在轨道上，观察陀螺下滑及进动。
5. 将转盘放在底座上，把高速旋转的陀螺有横杆的一端放在转盘上，可以看到陀螺仪和转盘同时转动起来。（系统的角动量守恒）。

讨论与思考：
回转仪在航空、航天及航海等领域都有哪些应用？

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。



反射光栅立体画
实验目的：
观察反射光栅成像。

实验原理：
立体照片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。这儿像面是两个照相机照得的像的重叠，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。
光栅——制作立体图像时所用的一种光学材料。通俗地讲，若干个形状大小一样、光学性能一致的透镜在一平面上按垂直方向顺序排列，就形成光栅条，若干条光栅条按水平方向依次排列，就形成光栅板，通常称为光栅。立体图像就是利用光栅材料的特性，将不同视角的同一拍摄对象的若干幅图像或同一视角的若干幅不同的图像的画面细节按一定顺序错位排列显示在一幅图像画面上，通过光栅的隔离和透射或反射，将不同角度的图像细节印射在人们的双眼，形成立体或变换的效果。从光学表现特征来讲，分为2类：
1、狭缝光栅——通过透射光将图像的立体效果显示在人们的眼前。
2、柱镜光栅——通过反射光将图像的立体效果显示在人们的眼前。
本画利用柱镜光栅形成，所以为反射光栅立体画。

实验仪器：

实验操作：
站在画前仔细观察，可以看到不同层次，立体的风景图。

讨论与思考：
反射立体光栅在生活中的应用有哪些？