《物理演示与虚拟仪器实验》 讲义.docx

物理演示实验讲义崔子健张连学宋丽建黄逸佳薛春中国矿业大学物理系2012.9.19前言物理演示实验是物理实验的重要组成部分，是物理学及相关专业的必修课程。演示实验一般操作简单方便，形象直观、现象明显、生动有趣，能创设物理情境，把抽象枯燥的物理现象和规律形象生动地展示在学生面前，激发学生的学习兴趣与探究欲望，对于加深知识理解、丰富情感体验、启迪科学思维、培养探究习惯、培养学习兴趣，正确认识物理概念产生、形成和发展的过程，提高锻炼对物理现象的洞察力具有重要作用，能起到“千言万语说不清，一看实验就分明”的作用。结合中国矿业大学物理实验教学中心现有仪器现状，我们开设了《物理演示与虚拟仪器实验》，涉及约50个演示实验，为帮助同学们对课程涉及演示实验及相关物理知识的理解，组织08级部分本科生根据自己的实验体会，查阅相关文献，编写了本讲义。讲义力求思想脉络清晰、物理思想突出，部分实验中设置了引导性的提问和问题，力求赋予实验教学较大的灵活性，以适应不同同学的需求。组织同学们编写讲义，本身是一种有益的教育探索，也是培养提高学生综合能力的有效手段，同学们在编写的过程中，自己搜集、阅读与理解文献，并结合自身体会，把所思所想尽可能写下来，从物理学的角度进行思考，力求对相关问题做深入思考和总结，对物理现象和规律的认识逐步提高，同时，可就相关问题进行进一步拓展，了解认识物理规律的应用。由于受编写者学术水平、学术视野及知识结构的局限，本书难免存在很多错误和不妥之处，敬请广大同学继续补充完善，力求做成物理系历届同学不断接力、持续完善的精品，使她成为连接各年级同学的桥梁。在讲义的编著过程中，参考了国内外大量物理演示实验及相关技术文献，在此，对前人的辛勤工作表示敬意和感谢。刘海顺2012年9月于中国矿业大学实验一伯努力悬浮器【实验目的】了解伯努利原理及实验现象，加深对伯努力原理的理解。【实验仪器】伯努力悬浮球演示仪。如图1-1所示，上方密封正方体内有一个风扇，开启后风向下吹，与下方透明的倒扣的漏斗状管道连通，管道下端放置承接气球的平台。另附一个圆型气球。【实验原理】十八世纪瑞士物理学家丹尼尔·伯努力发现，理想流体在重力场中作稳定流动时，同一流线上各点的压强、流速和高度之间存在一定的关系，即伯努力方程：考虑到是开放系统，则空气密度各点变化不大，认为是常数。如果高度的变化很小，该项也可以认为是常数。伯努力方程就变形为：（1-1）选定倒扣的漏斗为边界的空气作为流管（如图1-2所示），考察漏斗口径小的端面上任意一点与漏斗口径大的端面上任意一点的压强和速度关系。同等时间内流过两个端面的空气量是相等的，即，显然，，则，由（1-1）式可得出。显然，在流动的流体中，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。如图1-2所示，红色表示高压，兰色表示低压，把气球放在这个梯度中，气球本身质量很轻，上下表面的压强差足以使气球悬浮在空中。【实验内容】将气球放在倒扣的漏洞中，打开风扇电源，风是向下吹的，而气球会向上运动，悬浮在半空中，感觉是被漏斗吸在上方，如图1-3所示。1.打开箱体上的电源开关，用手感觉一下喇叭向外喷出的气流。2.托起气球靠近喇叭中心，至某一位置时气球被吸住。3.关闭电源，气球落下。【讨论与思考】如果将气球略微偏离喇叭中心，是否能够自动回位？原因是什么？【注意事项】1．注意保护气球的完好；2. 不要用力压球，以免损坏仪器。【扩展阅读】喷雾器：利用流速大、压强小的原理制成。如图1-4所示，当对着插入瓶子的吸管上方吹气时，会因为此处空气因流速大、而导致压强偏小，于是瓶子的液体就会顺着压强大的往压强小的方向运动，即在大气压的作用下，将液体压入吸管内。液体到了吸管上方又会被高速流动的空气吹出去，变成水雾（微小的水滴）了。不可压缩、没有粘滞性的液体称为理想流体。一般情况下，密度不发生明显变化的气体、粘滞性小的液体均可看作是理想流体。流体质点经过空间各点的流速虽然可以不同，但如果空间每一点的流速不随时间改变，这样的流动方式称为稳定流动或定常流动。实验二昆特管【实验目的】公元1866年，德国科学家昆特做昆特管实验，观察驻波现象和用以测量气体或固体中的声速。【实验仪器】昆特管（驻波）【实验原理】声波在煤油中传播，入射波和反射波叠加形成驻波，在驻波的波腹处，煤油被激起，形成浪花。在驻波中，波节点始终保持静止，波腹点的振幅为最大，其它各点以不同的振幅振动。所有波节点把介质划分为长 l ／ 2 的许多段，每段中各点振幅虽不同，但相位皆相同，而相邻段间的相位则相反。因此，驻波实际上就是分段振动现象，在驻波中没有振动状态和相位的传播，故称为驻波。【实验内容】1. 将信号源电压输出调至最低，打开信号源；2. 信号频率调至某一参考值附近，调节频率微调旋钮至管内形成驻波。此时能看到激起的片状水花（若现象不明显