大学物理演示实验讲义(清华大学)

大学物理演示实验讲义
实验室功能介绍
本实验室将全面支持同学们的大学物理课学习；
本实验室为同学们提供了数十个定性或半定量实验。

本实验室还为同学们提供了大量的趣味物理展品。

实验和资料将帮助你理解物理概念,帮助你体会实验构思的巧妙,帮助你把理论与实践更好地结合起来,帮助你开阔知识视野。

总之是为了帮助你早日成才！
本实验室采取互动方式教学，除了观察教师为你做的演示实验以外，你还可以选择自己最感兴趣的项目亲自动手做实验；你可以利用导学系统去学习,去思考,去探索；你还可以在课外参加创新实践活动,参加实验室建设,发展自己的个性与特长。

兴趣是最好的老师，在这个实验室的经历将会使你终生难忘!
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锥体上滚
【实验目的】：
1．通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，使学生加深了解在重力场中物体总是以降低重心，趋于稳定的运动规律。

2．说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能的相互转换。

【实验仪器】：锥体上滚演示仪
图1，锥体上滚演示仪
【实验原理】：
能量最低原理指出：物体或系统的能量总是自然趋向最低状态。

本实验中在低端的两根导轨间距小，锥体停在此处重心被抬高了；相反，在高端两根导轨较为分开，锥体在此处下陷，重心实际上降低了。

实验现象仍然符合能量最低原理。

【实验步骤】：
1．将双锥体置于导轨的高端，双锥体并不下滚；
2．将双锥体置于导轨的低端，松手后双锥体向高端滚去；
3．重复第2步操作，仔细观察双锥体上滚的情况。

【注意事项】：
1．移动锥体时要轻拿轻放，切勿将锥体掉落在地上。

2．锥体启动时位置要正，防止它滚动时摔下来造成变形或损坏。

陀螺进动
【实验目的】：
演示旋转刚体（车轮）在外力矩作用下的进动。

【实验仪器】：陀螺进动仪
图2陀螺进动仪
【实验原理】：
陀螺转动起来具有角动量L,当其倾斜时受到一个垂直纸面向里的重力矩(r ×mg)作用,根据角动量原理, 其方向也垂直纸面向里。

下一时刻的角动量L+△L向斜后方,陀螺将不会倒下,而是作进动。

【实验步骤】：
用力使陀螺快速转动，将其倾斜放在支架上，放手后陀螺不仅绕其自转轴转动，而且自转轴还会绕支架旋转。

这就是进动现象。

【注意事项】：
注意保护陀螺，快要停止转动时用手接住,以免掉到地上摔坏。

弹性碰撞仪
【实验目的】：
1. 演示等质量球的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。

2. 演示弹性碰撞时能量的最大传递。

3. 使学生对弹性碰撞过程中的动量、能量变化过程有更清晰的理解。

【实验仪器】：弹性碰撞仪
图3，弹性碰撞仪
【实验原理】：
由动量守恒和能量守恒原理可知：在理想情况下，完全弹性碰撞的物理过程满足动量守恒和能量守恒。

当两个等质量刚性球弹性正碰时，它们将交换速度。

多个小球碰撞时可以进行类似的分析。

事实上，由于小球间的碰撞并非理想的弹性碰撞，还是有能量损失的，故最后小球还是要静止下来。

【实验步骤】：
1．调整固定摆球的螺丝，尽量使摆球的中心处于同一直线上；
2．拉起最左边的一个摆球，释放，让其撞击其它的摆球，可以观察到最右侧的一个球立即摆起，其振幅几乎等于左边小球的摆幅；
3．同时拉起左侧的两个、三个或四个摆球，释放，让其撞击剩余的摆球，可观察到另一侧相同数目的摆球立即摆起，其摆幅几乎等于被拉起摆球的摆幅。

【注意事项】：
1．随时注意保持7个摆球的球心处于同一直线上；
2．球的摆幅不要太大，否则效果反而不好；
3. 不要用力拉球，以免悬线断开。

伯努利悬浮球
【实验目的】：
了解伯努利原理及实验现象
【实验仪器】：伯努利悬浮球
图4伯努利悬浮球
【实验原理】：
据伯努利原理，单位质量的流体的动能（流速头）、势能（位置头）和压力能（压力头）的和在同一流线上为一定值。

流体的流速大处，其压强小，流速小时，其压强大。

由此可知：当球体靠近喷口时，由于喷流从球体上向下喷出，就造成球体上方的压力低于下方的大气压力，由于两者之间的压差大于球体的重量，球体就被压在（托举在）喷口下方不被吹离。

【实验步骤】：
1．打开气泵，观察到气流从喇叭喷出；
2．拉起气球至喇叭正下方，释放，可以看球体就悬浮喷口下方不被吹离【注意事项】：
1．注意保护气球的完好；
2. 不要用力拉球，以免悬线断开。

傅科摆
【实验目的】：
1. 认识非惯性平台的各个组成部分；
2. 通过傅科摆演示，观察和理解地球的自传规律。

【实验仪器】：傅科摆
图5，傅科摆
【实验原理】：
傅科摆是法国物理学家傅科（J.B.L.Foucault）于1851年首先在巴黎万神殿的圆拱屋顶下悬挂一个重28公斤的铅球，挂线长67米的大单摆。

发现在摆的过程中，摆动平面不断作顺时针方向的偏转，从而通过单摆摆动平面的旋转验证地球的自转运动。

我国北京自然博物馆门口就有一个傅科摆。

地球自西向东旋转，其角速度ϖ 的方向沿地轴指向北极（Z 轴）。

处于北半
球某点的运动物体速度为υ ，那么该物体所受的科里奥利力的表达式为：
ω ⨯=v m f c 2
科里奥利力c f 的方向垂直于一个平面，这个平面是由υ 和ϖ 的方向所组成
的平面，所以c f 垂直于υ ，使υ 发生偏转。

傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转。

在地球的两级，傅科摆的摆动平面24小时转一圈，而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

傅科摆在地球的不同地点旋转的速度不同，说明了地球表面不同地点的线速度不同，因此，傅科摆还可以用于确定摆所处的维度。

【实验步骤】：
1．将单摆拉开一定角度（不要超过底盘限定的范围），使其在竖直平面内摆动；
2．调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致；
3，经过一段时间（大约1-2小时），观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹角（大约10——20度）。

【注意事项】：
1．单摆初始角度不要超出底盘的限定范围；
2. 应避免用力拉球，以免摆线断开。

声波可见
【实验目的】：
借助视觉暂留演示声波；
【实验仪器】：声波可见演示仪
图6 声波可见演示仪
【实验原理】：
不同长度，不同张力的弦振动后形成的驻波基频、协频各不相同，即合成波形各不相同。

本装置产生的是横波，可借助滚轮中黑白相间的条纹和人眼的视觉暂留作用将其显示出来。

【实验步骤】：
1．将整个装置竖直放稳，用手转动滚轮；
2．依次拨动四根琴弦，可观察到不同长度，不同张力的弦线上出现不同基频与协频的驻波；
3．重复转动滚轮，拨动琴弦，观察弦上的波形。

【注意事项】：
1．滚轮转速不必太高。

2．拨动琴弦切勿用力过猛。

环驻波演示实验
【实验目的】：
借助驻波演示仪观察驻波，加深对驻波形成条件的理解。

【实验仪器】：环驻波演示仪
图7 环驻波演示仪
【实验原理】：
两列频率、振动方向及振幅都相同的简谐波，在同一直线上沿相反方向传播时叠加形成驻波。

驻波中既没有相位的空间移动，也没有能量的定向传播，各点均在自己的平衡位置附近作简谐振动。

振幅最大处为波腹，振幅为零处为波节。

本实验是利用振子端点反射的波与该点传出的入射波在环上叠加形成驻波。

只有满足圆弧的长度等于驻波半波长的整数倍时，才可在环上形成驻波。

通过改变入射波长（改变信号源的频率），可以形成不同波长的驻波。

【实验步骤】：
1．首先将信号源控制振幅电压输出调至最低，打开电源。

2．适当增大电压值环平稳振动；然后调节频率旋钮，直到出现环驻波；
3．缓慢改变信号源的频率，使环上出现不同个数的波腹与波节，并使之保持稳定；如果波腹的幅度小，可适当调高电压；
4．重复步骤2、3，多次进行观察。

【注意事项】：
1．实验中输出电压不能太高，每次变化不能太大。

2．为达到最佳效果，频率与电压需交替配合调整，变化要缓慢。

激光李萨如图形演示仪
【实验目的】：
利用光杠杆的原理，深入理解简谐振动、受迫振动、共振以及二维同频振动合成。

【实验仪器】：激光李萨如图形演示仪
仪器结构如下图：
图8 激光李萨如图形演示仪
【实验原理】：
激光李萨如图形演示仪的激光束向左发射，面板下的机箱内装有低频电压信号发生源。

振动器1水平放置，代表X方向振动；振动器2垂直放置（部分振动条穿入机箱内），代表Y方向振动，两个振动器中的振动片分别由机箱内低频信号功率源驱动，做受迫振动。

当线圈通以交流电时，穿过线圈的振动片被磁化，
极性不断变化，并于振动片两旁的磁体吸引、排斥，引起振动，在受迫振动中，通过改变低频率信号功率源的输出频率，实现振动频率的相互比率关系，反射激光束而形成李萨如图形。

即：
1．当两个方向相互垂直、频率成整数比的简谐振动叠加时，在屏幕上就会显示李萨如图形。

2．利用光杠杆原理可以使微小的振动放大。

【实验步骤】：
1．演示二维同频振动合成：激光李萨如图形演示仪平放在桌上，激光照射在远处屏上，“X:Y转换开关”选择在“1：1”上，打开X方向振动开关，演示X方向振动；关闭X方向振动开光，打开Y方向振动开关，演示Y方向振动，最后打开X、Y方向振动开关，演示两个相互垂直方向的简谐振动合成。

2．演示二维不同频，但两者的频率成证书比的振动合成，“X:Y转换开关”分别选择在“1：2”、“2:3”、“3：4”上，演示李萨如图形，如要是图形稳定（相位差趋向定值），可调节Y频率微调旋钮。

【注意事项】：
在打开激光电源开关的情况下，不许用手直接接触激光管的电极接线，以免触电。

雅格布天梯演示实验
【实验目的】：
通过演示来了解气体弧光放电的原理。

【实验仪器】：雅格布天梯演示仪
图9 雅格布天梯演示仪
【实验原理】：
无论是在稀薄气体、金属蒸汽或大气中，当回路中电流的功率较大时，能够提供足够大的电流，使气体击穿，伴随有强烈的光辉，这时所形成的自持放电的形式是弧光放电。

雅格布天梯是演示高压放电现象的一种装置。

给存在一定距离的两电极之间加上高压，若两电极间的电场达到空气的击穿电场时，两电极间的空气将被击穿，并产生大规模的放电，形成气体的弧光放电。

雅格布天梯中的两电极构成为一梯形，下端间距小，因而场强大。

其下端的空气最先被击穿，产生大量的正负离子，同时产生光和热，即电弧放电。

由于电弧加热（空气的温度升高，空气就越易被电离, 击穿场强就下降），使其上部的空气也被击穿，形成不断放电。

结果弧光区逐渐上移，犹如爬梯子一般的壮观。

当升至一定的高度时，由于两电极间距过大，使极间场强太小不足以击穿空气，电极提供的能量不足以补充声、光、热等能量损耗时弧光因而熄灭。

此时高压再次将电极底部的空气击穿，发生第二轮电弧放电，如此周而复始，形成实验中的现象。

【实验步骤】：
打开电源开关，可看到高压弧光放电沿着“天梯”向上“爬”，同时听到放电声，直到上移的弧光消失，天梯底部将再次产生弧光放电。

【注意事项】：
1．千万做好安全防护，将仪器封闭，不能让人触及仪器，尤其是在工作时；
2．仪器工作时间不能过长，一般不超过3分钟，将自动断电进入保护状态, 稍等一段时间，仪器恢复后方可继续演示。

能量转换轮演示实验
【实验目的】：
验证能量转换与守恒定律。

【实验仪器】：能量转换轮演示仪
图10 能量转换轮演示仪
【实验原理】：
能量转换轮演示了电能、磁能、机械能、光能之间的相互转化。

给电磁铁通电，电能经电磁铁转换成磁能，即产生交变磁场，转轮内的磁铁在该磁场的磁力作用下带动转轮旋转，磁能又转换成机械能；而转轮的旋转使永久磁铁的固定
磁场运动起来，则又在左侧的闭合线圈中产生感应电流，能量又被转换成电能，并通过发光二极管变为光能。

根据能量转换与守恒定律，自然界的各种能量之间可以相互转化、但总能量保持不变。

本实验也遵循这一定律。

【实验步骤】：
1．打开箱体前面板上的开关，使圆盘右侧铁芯产生变化的磁场；
2．轻轻转动大圆盘（圆盘上装有许多永磁铁）使其转起来，经过两磁场的相互作用，圆盘越转越快；
3．观察圆盘左侧线圈中发光二极管的发光情况；
4. 实验完毕，关掉电源。

【注意事项】：
1.因有一定的摩擦，因此，开始应给一定的驱动力；
2.易被磁化的物品应远离仪器，如机械手表；
3.如果大圆盘转动时系统晃动，请把底座垫平。

大型闪电盘（辉光盘）演示实验
【实验目的】：
观察平板晶体中的高压辉光放电现象。

【实验仪器】：大型闪电盘演示仪
图11 大型闪电盘演示仪
【实验原理】：
闪电盘是在两层玻璃盘中密封了涂有荧光材料的玻璃珠，玻璃珠充有稀薄的惰性气体（如氩气等）。

控制器中有一块振荡电路板，通过电源变换器，将12V 低压直流电转变为高压高频电压加在电极上。

通电后，振荡电路产生高频电压电场，由于稀薄气体受到高频电场的电离作用二产生紫外辐射，玻璃珠上的荧光材料受到紫外辐射激发二发出可见光，其颜
色由玻璃珠上涂敷的荧光材料决定。

由于电极上电压很高，故所发生的光是一些辐射状的辉光，绚丽多彩，光芒四射，在黑暗中非常好看。

【实验步骤】：
1.将闪电盘后控制器上的电位器调节到最小；
2.插上220V电源，打开开关；
3.调高电位器，观察闪电盘上图像变化，当电压超过一定域值后，盘上出现闪光；
4.用手触摸玻璃表面，观察闪光随手指移动变化；
5.缓慢调低电位器到闪光恰好消失，对闪电盘拍手或说话，观察辉光岁声音的变化。

【注意事项】：
1.闪电盘为玻璃质地，注意轻拿轻放；
2.移动闪电盘时请勿在控制器上用力，避免控制器与盘面连接断裂；
3.闪电盘不可悬空吊挂。

辉光球演示实验
【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。

【实验仪器】：辉光球演示仪
图12 辉光球演示仪
【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。

【实验步骤】：
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。

【注意事项】：
不可敲击辉光球体，以免打破玻璃。

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偏振光干涉演示实验
【实验目的】：
学习偏振光干涉原理。

【实验仪器】：偏振光干涉演示仪
图13 偏振光干涉演示仪
【实验原理】：
偏振光干涉演示仪内的图案分两种：
（1）层数的薄膜叠制而成的蝴蝶、飞机、花朵等图案（中心厚，四边薄），薄膜内部的残余应力分布均匀。

（2）光弹性材料制成的三角板和曲线板，厚度相等，但内部存在着非均匀分布的残余应力。

白光光源发出的光透过第一个偏振片后变成线偏振光。

线偏振光通过这些模型后产生应力双折射，分成有一定相差且振动方向相互垂直的两束光。

这两束光通过最外层的偏振片后成为相干光，发生偏振光干涉。

对于蝴蝶、飞机、花朵等模型，由于应力均匀，双折射产生的光程差由厚度决定，各种波长的光干涉后的强度均随厚度而变化，故干涉后呈现于层数分布对应的色彩图案。

对于三角板和曲线板，由于厚度均匀，双折射产生的光程差主要与残余应力分布有光，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。

条纹密集的地方是残余应力比较集中的地方。

U形尺的干涉条纹类似于三角板和曲线板，区别在于这里的应力不是残余应力，而是实时动态应力，所以条纹的色彩和疏密是随外力的大小而变化的。

利用偏振光的干涉，可以考察透明元件是否收到应力已经应力的分布情况。

转动外层偏振片，即改变两偏振片的偏振方向夹角，也会影响各种波长的光干涉后的强度，使图案颜色发生变化。

【实验步骤】：
1. 轻地从仪器上方抽出仪器内的两种图案，看到它们都是由无色透明的材料制成，原样放回；
2. 打开光源，这时立即观察到视场中各种图案偏振光干涉的彩色条纹；
3. 旋转面板上的旋钮，观察干涉条纹的色彩也随之变化；
4. 把透明U形尺从窗口放进，观察不到异常，用力握U形尺的开口处，立即看到在尺上出现彩色条纹，且疏密不等；改变握力，条纹的色彩和疏密分布也发生变化。

【注意事项】：
取玻璃片也小心轻放，注意安全。

普氏摆演示实验
【实验目的】：
了解普氏摆，演示人眼的视觉特点
【实验仪器】：普氏摆演示仪
图14 普氏摆演示仪
【实验原理】：
人之所以能够看到立体的景物，是因为双眼可以各自独立看景物。

两眼有间距，造成左眼与右眼图像的差异称为视差，人类的大脑很巧妙地将两眼的图像合成，在大脑中产生有空间感的视觉效果。

在这个实验中，所用的光衰减镜引起光强的减弱，使分别进入两只眼睛的物光产生距离感，从而感觉出物体的立体感。

将光衰减镜反转180度时，摆球的运动轨迹又发生了改变。

【实验步骤】：
1．拉开摆球，使其在两排金属杆之间的一个平面内摆动；
2. 普氏摆正前方位置观察球摆动的轨迹；
3. 光衰减镜再观察摆球的轨迹，发现摆球按椭圆轨迹转动；
4. 衰减镜反转180度，再观察，发现摆球改变了转动方向。

【注意事项】：
1. 摆球的摆动平面尽量在两排金属杆的中间，避免与金属杆相碰；
2. 观察时双眼均要睁开。

光学分型演示实验
【实验目的】：
通过演示光学分型的物理现象，掌握光学分型的原理。

【实验仪器】：光学分形演示仪。

图15 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。

光学幻像演示实验
【实验目的】：
了解凹面镜成像原理，演示人眼的视觉特点
【实验仪器】：光学幻像演示仪
【实验原理】：
你看到的这只玫瑰，其实是一朵玫瑰模型的影像，模型实物隐藏在展品的壳体里面，它是通过一个大凹面反光镜成像在窗口外的缘故。

我们知道，一个物体放置在凹面反光镜的二倍焦距附近，它的影像也在凹面反光镜的二倍焦距附近，这是凹面反光镜独有的光学特性。

凹面反光镜不但在焦距之外能成明亮看得见的物体影像，而且在焦距处有很好的聚集作用。

因此它广泛地应用在探照灯照明、太阳能利用及遥感天线和光学仪器中。

【实验步骤】：
接通电源，观众站到距展品１米左右处，可看到一只清晰的玫瑰，当你用手去摸时，却没摸到玫瑰。

温差电磁铁演示实验
【实验目的】：
通过温差电流的磁效应来演示温差电现象
【实验仪器】：温差电磁铁演示仪
图16 温差电磁铁演示仪
温差电磁铁演示仪由以下五部分组成：
1.温差电磁铁部分：它由U型电磁铁铁芯，温差电偶和衔铁组成。

温差电偶是由铜和康铜两种材料制成。

为了在一定的温差下能够产生较大的温差电流，温差电偶中的铜和康铜截面都比较粗。

（铜和康铜之间是用银铜焊接，很牢固，一端弯曲部分可以插入水杯中冷却散热。

）
2.加热与冷却部分：用托架支撑的酒精灯，用来加热热电偶的一端，用托架支撑的盛水的烧杯，这是用来冷却热电偶的另一端。

3.衔铁部分：通过细绳与重物相连接的温差电磁铁的衔铁部分。

当电磁铁中产生温差电流，衔铁被吸向U型电磁铁两极，形成闭合磁路，产生很大的磁通，牢牢地吸住衔铁。

4.与砝码部分：这由砝码托，砝码，导向滑轮和绳组成。

此部分用来显示温差电现象的大小。

5. 底座与支架部分：它是由底座，横梁，支柱，直杆和托板组成。

【实验原理】：
温差电流的磁效应。

两种不同的金属构成闭合回路，当两个接点分别处在不同温度下时，回路内便会产生温差电流。

温差电磁铁实验使用铜和康铜两种金属演示温差电现象。

用酒精灯和冷水形成温差，产生的温差电流将产生磁效应。

为了在一定的温差下能够得到较大的温差电流，温差电偶中的两种材料都比较粗，铁芯会使磁效应大大增强。

【注意事项】：
1.加砝码时用手扶衔铁，以免拉力过大是衔铁突然脱落。

2. 实验完毕，务必取下砝码，以免磁力小消失，砝码脱落毁坏物品。

3. 实验完毕，切记要熄灭酒精灯。

θ调制
【实验目的】
通过θ调制实验了解信息光学中空间滤波的概念。

【实验仪器】
θ调制实验仪。

【实验原理】
θ调制就是以不同取向的光栅调制物平面上的不同部位，白光通过该图像（物）后，将产生不同取向的彩色光谱，在频谱面上利用空间滤波器让所需要的颜色通过，可使像平面上相应部位呈现不同的颜色。

60的光栅拼成一幅天空、房子和大地的本实验中，物由三块栅纹方向互成0。