大学物理探究性实验报告.pdfVIP

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椎体上滚

实验原理

在重力场中，物体在地球引力的作用下，总是以降低重心来趋于稳定。本实验中锥

体与轨道的形状巧妙组合，给人以锥体自动由低处向高处滚动的错觉：V形导轨的低端

处，两根导轨相距较小，停于此处的锥体重心最高，重力势能最大；V形导轨的高端处，

两根导轨相距较大，停于此处的锥体重心最低，重力势能最小。因此，从导轨低端处释

放锥体，锥体就会沿导轨从低端滚向高端，这其间锥体的重心逐渐降低，重力势能逐渐

减小，被转化为了锥体滚动时的动能，表达了机械能守恒。

实验现象

将锥体置于导轨的高端，锥体并不下滚；反之，将锥体置于导轨的低端，松手后锥

体会自动上滚，直至高端后停住。

小结或讨论

刚开场看到这个实验装置时，还真的以为椎体是在“上滚〞，因为两个金属滑轨确是一

边高一边低，而椎体也确实是从低的那一端滚上了高的那一端。可是当到侧面观察是，很快

便发现了这个装置的奥秘所在：我们的眼睛被欺骗了！虽然椎体看上去是从低处滚向高处，

可椎体的重心却是由高到低！与此类似的错觉很多，比方“怪坡〞现象。世界上已经发现了

多处“怪坡〞，在这些“怪坡〞上，汽车下坡时必须加大油门，而上坡时即使熄火也可到达

坡顶；骑自行车下坡时要使劲蹬，而上坡时却要紧扣车闸；人在坡上走，也是上坡省力，下

坡费力。如果仔细研究会发现，所谓的“怪坡〞并没有违反科学规律，“怪坡〞与它路边倾

斜的参照物——护栏、石柱巧妙结合，给人一种错觉，就好比“锥体上滚〞一样的错觉。物

理规律是不会欺骗我们的：在重力场中，物体的能量总是自然地趋向最低状态，物体总是以

降低重心力求稳定的。这些现象告诉我们，我们不能仅仅凭现象凭肉眼的观察就断定一个事

物，必须以科学的态度、科学的方法去探究现象背后的本质。

铜喷水鱼洗现象探究

实验原理

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本实验的物理原理可分三个过程加以说明：

1、操作者手搓提把，使能量传入的过程，是一个非线性自激振动过程，其物理实质是

用单方向的力激起提把的振动。2、提把的振动耦合为盆体的横驻波共振。鱼洗盆的提把安

装在盆内侧面的相对的两侧，它的振动可以耦合为盆体的横驻波共振。本实验所用鱼洗盆侧

面环盆一周有4个波节、4个波腹的驻波模的频率与提把自激振动的频率相接近〔最好略高

一点〕时，可以最有效地激起该模的振动。3、波腹处剧烈的振动使水具有的动能大于水的

外表X力限定的势能，且能抑制重力再向上运动时，水被撕裂成水珠从水面飞出，形成向

上喷射的水花。本实验鱼洗盆中激起的振动为4波腹4波节模式，所以有4股水花从波腹

处飞出。使提把由于非线性过程而产生的自激振动的频率接近鱼洗盆侧面横驻波模式〔4波

腹4波节〕的固有频率，是本装置构造的关键。

实验现象

操作者伸开两手掌，掌面蘸少许水，将两手掌放在鱼洗盆的两个提把上，轻柔均匀地使

手掌在提把上来回滑动。当听到鱼洗盆嗡嗡振动起来时，便有水花从水面上喷射出来。

小结或讨论

喷水鱼洗是我国古代人民的智

慧结晶之一。从振动与波的角度来分

析是由于双手来回摩擦铜耳时，形成

铜盆的自激振荡，这种振动在水面上

传播，并与盆壁反射回来的反射波叠

加形成二维驻波。理论分析和实验都

说明这种二维驻波的波形与盆底大

小、盆口的喇叭形状等边界条件有关。

我国汉代已有鱼洗，并把鱼嘴设计在

水柱喷涌处，说明我国古代对振动与

波动的知识已有相当的掌握。

在实验室里看到有的同学能摩擦激起特别高的水花，铜盆的共振现象也特别明显，发出

的声音特别大。当自己动手实际操作时，发现这并不是一个特别容易的事情，一开场不管怎

么摩擦都无法激起水花，后来实验了好屡次以后，才发现激起水花的小窍门，手与铜质提手

的接触面积越大，压力越大，效果越好！当手感受到与提手的摩擦越大时能激起的水花最大！

做本实验一定要有耐心，水花的喷射根本与人手磨擦提把的频率无关，故不能着急。