科技馆中的物理知识

一、华夏之光

1、明代福船

（1）简介：

福船，是福建、浙江沿海

一带尖底古海船的统称，其船上平如衡，下侧如刀，底尖上阔，首尖尾宽两头翘，这一船舶结构是中国在造船方面的一大发明，它提高船舶的抗沉性能，增加了远航的安全性能。福船与广船、沙船和鸟船并列为中国古代四大船系。

（2）特点：

一是首部尖，尾部宽，两头上翘，首尾高昂。它的两舷向外拱，两侧有护板。特别是福船有高昂首部，又有坚强的冲击装置，吃水又深，可达到四米，适合于作为战船。

二是船体高大，上有宽平的甲板、连续的舱口，船首两侧有一对船眼。作为战船用的福船全船分四层，下层装土石压舱，二层住兵士，三层是主要操作场所，上层是作战场所，居高临下，弓箭火炮向下发，往往能克敌制胜。

三是操纵性好，福船特有的双舵设计，在浅海和深海都能进退自如。

（3）帆：

船只借助帆的每一面所产生的力量沿着迎风方向移动. 迎风面的正向力量(推力)和背风面的负向力量(拉力)合在一起形成了合力，这两种力量都作用于同一方向.

在1738年，科学家丹尼尔·伯努利发现，气流速度与周围自由气流成比例增加，从而导致压力的降低，而这可令气流速度更快. 这种情况在帆的背风面发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区域.

（4）尾舵

尾舵是安装在轮船、潜艇或飞机上的一个小舵板，先有此控制较大的方向舵，从控制船或飞机的航行方向

提供稳定性；保证飞机纵向和侧向平衡；产生俯仰和偏航阻尼力矩；安装升降舵和方向舵，操纵飞机飞行。

二、探索与发现

1、光路可见吗？

（1）简介：

在椭圆形的台面上有三个可以沿轨道滑动的有机玻璃容器，容器内分别放置着氯化钠溶液、氢氧化铁溶液以及缔合胶体。台面外侧有一个激光反射源。

（2）原理：

当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应（Tyndall effect）或者丁泽尔现象、丁泽尔效应、廷得耳效应

在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子

大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶液粒子直径一般不超过

1 nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间，其直径在1~100 nm。小于可见光波长（400 nm～700 nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。

而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。此外，散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。

所以说，胶体能有丁达尔现象，而溶液几乎没有，可以采用丁达尔现象来区分胶体和溶液，注意：当有光线通过悬浊液时有时也会出现光路，但是由于悬浊液中的颗粒对光线的阻碍过大，使得产生的光路很短。

（3）现象：

我们把装有氢氧化铁溶液以及缔合胶体的有机玻璃容器放在激光束通过的路径中时，会观察到容器中有一个较粗的清晰光路，而在装有氯化钠溶液的容器里却几乎看不到。

2、手蓄电池

（1）简介：

这件展品由多个金属棒和检流计组成，金属棒分两组，左侧红色标牌的金属棒材质为铁、铜、铝，右侧黑色标牌的金属棒材质为铜、铝、铁。

（2）原理：

这是因为我们手上的汗液是电解质，握住不同的金属棒时，汗液便和金属发生了化学反应。使电子

在不同的金属间转移。

手蓄电池人手

上带有汗液，而汗液是一

种电介质，里面含有一定

量的正负离子。铝板比铜

板活泼，铝板上汗液中的负离子发生化学反应，而把外层电子留在铝板上，使铝板集聚大量负电荷，铜板上集聚大量正电荷。当用导线把铜板和铝板连接起来，铝板上的电子通过电流计将向铜板移动，在导线中有电流通过，从而产生了电流。故电流计指针偏转。这实际上就构成了一个简单的原电池

（3）现象：

当用手握住不同的金属棒时，可看到检流计的指针发生偏转，证明有电流产生。当左手所握得材质不变的情况下，变换右手的材质，检流计的指针一般都会发生改变，当换一个人去握同样的材质时，显示的数字也会发生改变。

3、空中自行车

（1）简介：展台上的两根立柱之间，固定有一根钢丝，钢丝一端的高度可以用操作手柄进行操作，使

独轮车从高到低运动，独轮车下方有配重装置，连接杆可以伸缩调节长度，配重物体多少也可以改变。（2）原理：

运用的是“不倒翁”重心稳定的原理。上轻下重

的物体比较稳定，也就是说重心越

低越稳定。当不倒翁在竖立状态处

于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆，总是不倒的。

不倒翁竖直时重心最低,所以当不倒翁向任意方向倾倒时,重心都要升高,不稳定.最终要回答原来的位置(竖直位置).

4、旋转的金蛋

（1）简介：

所谓“旋转金蛋”就是将

一个用铁基金属制作的形状

为旋转对称的椭球体(一个

对称轴的长度大于其它两个轴的长度)。将它放在一个光滑铮亮的薄平板上，薄板的下边是一个由导线缠绕铁磁体构成的电磁场。当给线圈通交流电时，交变电

磁场驱动金蛋开始缓慢旋转。

（2）现象：

一开始，金蛋绕垂直于台面的短轴旋转，随着电流持续作用，金蛋越转越快，在它的转速达到某一速度时，它就自动立起来，绕长轴转动；这时的长轴将垂直台面。持续通电，它将持续转动，直到切断电流，它又缓慢躺下，回到原始的状态。

（3）原理：

根据理论力学的刚体动力学，一个三轴对称椭球体的转动惯量(即抗拒转动的惯性量)的大小与它的转动轴方向有关。如果椭球的三个轴的长度不同，它具有三个大小不同的转动惯量：令Jx , Jy , Jz 分别代表绕 x, y, z 轴的转动惯量，它们是椭球体质量m, 和三个主轴长度(a, b, c)的函数。 c 是 z轴方向的轴长；对于本文情况，金蛋为旋转椭球体，两个短轴相等，即 a = b；所以公式可以简化(详见附录1)。

又知刚体转动动能T是椭球体转动惯量Jx , Jy , Jz 和转动角速度的函数，其表达式请见附录2。可见，