力学演示实验研究

力学演示实验仪器的认识与使用

1.微小形变（物体形变演示仪）

实验时做的实验是微小形变的观察，用打火机给铁丝加热，由于铁丝的热涨性，铁丝变长，与铁丝相连的指针发生变化，通过杠杠原理放大形变，当停止加热时，恢复原状。

图中是为了验证物体的热胀冷缩的性质。但由于只是微小的形变很难用肉眼来观察，所以用了放大的原理来观察。图式，待测发生形变的钢丝与一条长板相连指向另一边刻度尺的原点，若钢丝发生微小的形变，则在另一边的刻度尺上，木板的移动应该较大。这样，通过观察木板所指刻度的变化来判断钢铁是否发生形变。用火烧金属丝，由于热胀冷缩，金属丝会膨胀，发生形变，用竖直的直尺观察不是很明显，实验仪器利用一个红色指针，将竖直方向上的形变放大，在右侧的斜杆上看清楚形变量。

使物体发生形变是力的作用效果之一。不过一般来说使物体发生的形变比较小，不容易观察，演示实验时需要做的是将这些形变放大，便于观察。将形变放大，可以使用挤压带细管的玻璃瓶来实现，同时，也可以使用光放大法进行观察，这里不做赘述。

演示这个实验时，教给学生的不仅仅是实验方法和操作，更多的是一种实验理念，即放大实验现象的理念，并且指导学生探索放大实验现象的方法和手

段，引导学生将这种实验方法用于物理学别的实验中去。

形变放大光放大法

2.自由落体（牛顿管，又称为毛线管）

牛顿管毛钱管，又称牛顿管。是一根长120cm，一段封闭，另一端带有气嘴的金属盖封住的玻璃管。一般在研究自由落体运动时会用到。

把形状、质量都不同的羽毛、软木塞、金属片放置到毛钱管里。把毛钱管倒立过来，可以看到，这些物体下落最快的是金属片，最慢的是羽毛。尽量地抽去毛钱管里的空气，再看这些物体下落，发现它们下落的快慢大致是相同的。因此可以得出推论：如果完全没有空气阻力时，不同物体下落的速度将会完全相同。【教学内容】自由落体

3.惯性演示仪

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，叫做惯性。

惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。惯性大小的唯一量度是物体的质量，物体的质量大，惯性就越大。惯性与物体是否受力、怎样受力无关、与物体是否运动、怎样运动无关，与物体所处的地理位置无关。

惯性的表现形式：物体的惯性总是保持“原状”或“反抗改变”两种形式表现出来的。

（1）物体在不受外力或所受的合外力为零时，惯性表现为使物体保持原来的运动状态不变（静止或匀速直线运动）。

（2）物体受到外力时，惯性表现为运动状态改变的难易程度。惯性大，物体运动状态难以改变；惯性小，物体运动状态容易改变。

【教学内容】惯性

4.重心、力的合成分解演示仪

4.1旋转椎体“不倒翁”实验【重心类实验】

这是一个和重心知识相关的实验。实验装置上下两部份是分开的，上部分是一个尖端椎体左右各用支杆连接两颗金属球，下部分是一个顶部为平面的柱体结构。实验时，将椎体的尖端放在平台上旋转，无论放在平台的任何地方，上半部分结构总是能够保持平衡旋转状态，只是不同支点时，旋转的平衡倾斜程度不同。

因为该仪器时经过严格计算过的重心在针尖方向的系统，当仪器摆放在底端时，只要其重心的位置没有发生改变，无论怎样旋转，仪器都不会发生偏转或者掉下来。这就是证明了物体可以看成是质量集中在重心的质点。

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。

4.2力的合成分解演示仪

力是一种矢量，力的合成与分解满足平行四边形定则，如图所示，根据两个力的大小和方向可以确定其合力的大小和方向。演示仪上面有力的大小和方向的量度。

力的合成和分解是中学生认识力的重要知识点。在演示实验时，可以表明力的大小和方向，给学生以可视化的实验，伴随讲解，帮助学生更好的理解力的合成和分解。

力的合成分解演示器可以很直观的演示出力的合成和分解的过程，其中，中垂线上的力为合力，通过两个钩码施加的力为两个分力。实验时，用悬线和适量钩码，使得中垂线上的力等于通过两个滑轮施加的力，改变两个滑轮的位置，便可观察到两个分力的大小发生变化。同时，也可以先通过滑轮施力，再通过中垂线上的力进行平衡，便可演示力的合成。演示实验时，需要提醒学生观察，在分力成不同的角度时，合力的变化。

【教学内容】力的合成与分解

5.反冲运动演示仪

5.1实验一

反冲运动：根据动量守恒定律，如果一个静止的物体在内力的作用下分裂成两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动。这个现象叫做反冲。反冲运动中，物体受到的反冲作用通常叫做反冲力。

反冲运动的特点：反冲运动和碰撞、爆炸有相似之处，相互作用力常为变力，且作用力大，一般都都满足内力>>外力，所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。（1）反冲运动的问题中，有时遇到的速度是相作用的两物体间的相对速度，这是应将相对速度转化成对地的速度后，在列动量守恒的方程。

（2）在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动，如火箭在运动过程中，随着燃料的消耗火箭本身的质量不断在减小，此时必须取火箭本身和在相互作用时的整个过程来进行研究

实验操作：如图，向漏半形容器中注入水，可看到在喷出水流的反冲作用下，漏斗形容器向相反方向转动。如果不断地注入水，保持注水量和出水量相等，转动可持续下去。

【教学内容】动量守恒定律、作用力与反作用力

5.2实验二