物理演示实验-讲义

物理演示实验讲义物理实验教学中心编二零零八年六月目 录糖溶液旋光 2白光全息 3太阳能应用 4法拉第笼 5能量穿梭机 6超导磁悬浮列车 7电磁炮 8飞机的升力 9激光倍频 10魔灯等离子球 11氢燃料电池 12三相旋转磁场 13锥体上滚 14阿贝成像和空间滤波 15超声雾化 16傅科摆 17光学分形 18光学幻影 19红绿立体图 20混沌摆 21家用冰箱空调制冷系统原理 22龙卷风 23茹可夫斯基凳 24陀螺仪 25雅格布天梯 26长余辉材料 27海市蜃楼 28直升飞机 29糖溶液旋光【实验目的】演示糖溶液的旋光色散现象【实验原理】线偏振光在某些介质中传播时，出射光振动面会转过一定角度，这种现象称为旋光性。线偏振光可分解成左旋和右旋圆偏振光。两种圆偏振光在介质中传速不同，但通过一定距离后，两种圆偏振光合成后仍为线偏振光，只是振动面转过一定角度。在溶液传播时，转角大小为：，其中为液体的长度，为溶液的浓度， 为溶液的旋光率。是偏振光波长的函数。由此，当白色线偏振光通过旋光物质后，不同波长的线偏振光振动面旋转的角度不同，各色光的振动面随之相互分开。这种现象称为旋光色散。【实验操作】在仪器的后方加上第二个某单色偏振片，转动第1个偏振片，使该色光的振动面与第二个偏振片的偏振化方向一致，则此色光可全部通过，此色光的光强最大，其余色光成分按马吕斯定律为部分通过，旋转偏振片可见透射光的主色调周期性变化。白光全息白光全息是指在普通白光照射下再现的立体全息。当记录介质的感光厚度远大于干涉条纹的间距时，在其厚度方向形成三维干涉图样。如图示白光再现全息照相光路，激光束经过扩束后，再经反射镜反射，设该光为参考光，参考光穿过全息干版后，投射到物体表面后反射，此光为物光。参考光和物光形成三维空间干涉条纹，如用白光再现，则各色光全息像完全分开，全息再现像十分清楚。太阳能应用神州号飞船仿真模型某些半导体物质，在光照的情况下可以产生电动势，将光能转化为电能。神州号飞船仿真模型分轨道舱、返回舱及动力舱三个部分。上面两侧的电池板提供音响设备用电，下面两侧的电池板提供动力舱旋转动力；当电池板吸收了太阳能，模型能够旋转，并播放中国第一位宇航员杨立伟的声音。神舟6号飞船模型法拉第笼本实验可以演示较大型的静电屏蔽。导体在静电场中处于静电平衡时，导体内部没有宏观电场，电荷只分布在导体的外表面，导体内部以及腔内的场强为零。这样，空腔内的系统将不会受腔外电场的影响，这叫静电屏蔽。用金属丝网做成的法拉第笼，使它带电，电荷仅存在于笼体外表面，笼内无电场，人在笼内部安然无恙。能量穿梭机能量穿梭机模型是一种演示机械能相互转换的力学运动实验装置。通过球体穿梭在富有流动雕塑美感的轨道间趣味旅程，折射出多种力学的运动形态和物理现象。 超导磁悬浮列车当超导块经冷却达到超导态后，和永磁性导轨靠近时，在超导体表面会感应出高屏蔽电流，该电流的感应磁场与磁性轨道的磁场互相作用，会产生磁悬浮或磁倒挂现象。 电磁炮当炮筒中的线圈通入瞬时强电流时，穿过闭合线圈的磁通量会发生变化，从而置于线圈中的金属炮弹会产生感生电流，感生电流的磁场将与通电线圈的磁场相互作用，使金属炮弹飞速射出。电磁炮的作用时间很长，可大大提高弹丸的速度和射程因而引起了世界各国军事家们的极大关注。 飞机的升力飞机机翼的形状被精心设计成流线型，下面平直，上面圆拱，飞行时能使流过机翼上方空气的流速大于机翼下方的空气流速。这样机翼下表面的压力要比上表面的大，形成一个向上偏后的举力（图A）。正是举力的作用使飞机机翼向上举起。如果机翼的上下形状相同，那么上下压强相同，就不存在压力差，即没有升力（图B）。激光倍频根据量子理论，原子中电子在能级跃迁时，会发射或吸收一个频率为的光子。若入射光强度足够大，可出现一次吸收2个或多个光子的情况。当电子再从高能级跃回，发射的电子的频率增加一倍，这就是光学倍频。其过程如下图所示：入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角当夹角满足相位匹配时，输出倍频光入射激光基频倍频本实验利用氙灯光泵激励下发射的红外激光，通过按特定方向切割的碘酸锂晶体，出射时除了有的红外激光外，还有波长为的绿光（频率为红光的一倍）。魔灯等离子球该球体内装有不同的几种惰性气体，通电后，由于电子碰撞而使原子失去外电子而产生电离，电能转化为光能，产生不同颜色的光束。 氢燃料电池氢燃料电池利用了电解水的逆反应来发电，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。从而产生电能。氢燃料电池污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。其能量转化率高，可达60%80%。且贮氢材料丰富，因此前景应用广阔，目前在航天和汽车领域方面取得较大的成功。氢燃料汽车（概念车）三相旋转磁场定子的三个线圈绕组通以对称的三相电流，各相电流幅值相等，相位差为，则三对线圈将产生旋转磁场，该磁场以三相交流电频率在平面内旋转。把金属球在旋转磁场中，将发生电磁感应产生涡流。球从而产生有趣的运动现象。 线圈的三相星型电流和相位图锥体上滚从导轨低端处释放滚轮，在滚动过程中由于导轨的间距逐渐增大，使得滚轮的重心逐渐降低，重力势能逐渐减小，滚轮就沿导轨从低端滚向高端。在台东县东河乡，有一个名叫“都兰”的旅游胜地，其最吸引游人处，便是“水往高处流”。“怪坡”旁有一股小溪，溪水流到山脚下的农田，而靠近山脚旁的另一股溪水不往下流，偏偏反其道而行之，向山坡上流去，观者无不称奇。阿贝成像和空间滤波阿贝在改进显微镜时发现大孔径的物镜有较高的分辨率，提出了相干成像原理。认为在相干平行光照明下，显微镜的成像可分为两步。第一步是通过物的衍射光在物镜的后焦面上形成一个初级衍射图（即频谱图）；第二步是这一初级衍射图向前发出球面次波，干涉叠加后位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。这称为阿贝成像原理。 阿贝成像示意图成像的两个步骤如图所示。以一维光栅为物，单色平行光垂直照射在光栅上，经衍射分解成为不同方向的很多束平行光（每一束平行光对应于一定的空间频率）。经过物镜分别聚焦于后焦面上形成点阵（频谱面）。然后代表不同空间频率的光束重新在像平面上复合而成像。成像的两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。第一步起的作用就是把光场的空间分布变为频谱面上的空间频率分布；第二步则是再作一次傅里叶变换将其还原成空间分布。由此可见，成像过程本质上就是两次傅里叶变换。如果在透镜的后焦面（即频谱面）按需要放置一块挡光屏，以减弱或去掉某些空间频率成份或改变某些频率成份的相位，将使像平面上的图像发生相应的变化。这种改变像的频谱的物理过程叫空间滤波。频谱面上的挡光屏称为空间滤波器。常用的滤波器有：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和方向滤波器等。超声雾化超声雾化就是利用超声波产生的高频振荡将水打散成直径只有1-5微米的细小颗粒，随着超声波频率的增加，雾化液滴会越来越细，再利用风动装置，将这些小颗粒吹到空气中，这些小颗粒直观的看来就是蒙蒙的水雾，超声雾化后水珠会带负离子。超声波技术及其应用产品可分为两类，一类是用较弱的超声来实现信息的采集与处理，该类技术产品有雷达、声纳、超声诊断、超声探伤、超声检测等等；另一类是用较强的超声，即功率超声，以其能量来改变材料或人体病灶的状态、性质或性能，该类技术及其应用产品有超声波清洗、超声波粉碎、超声波抛光、超声波搅拌、超声波焊接、超声波治疗等。傅科摆傅科摆是法国物理学家傅科（J.B.L.Foucault）1851年在巴黎万神殿的圆拱屋顶上悬挂一个长约67米的大单摆，在摆的过程中，摆动平面不断地作顺时针方向的偏转，从而证明地球是在不断自转。北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹地球自西向东旋转，其角速度的方向沿地轴指向北极。处于北半球某点的运动物体速度方向，那么该物体所受的科里奥利力的表达式为： ，科里奥利力的方向垂直于一个平面，这个平面是由和的方向所组成的平面，所以垂直于，使发生偏转。在地球的两极，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。右图所示为北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹。将单摆拉开一定角度（不超过底盘限定的范围），使其在竖直面内摆动；调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致；经过一段时间（大约12小时），观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹角（大约1020度）。光学分形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上和整体相似。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。光学幻影“看得见，摸不着”A/FAC凹面镜成像如图所示，将物体A置于凹面镜的曲率中心C点下方，则物体发出的光通过凹面镜反射将汇集于光轴C点的上方等距处，形成与物等大的倒立实像。观察者只要使离眼的距离大于近点，在凹面镜孔径角的反射范围内进行观察，就可以看到栩栩如生的实物景象，其三维立体感、视差及反差等视觉特性如同观察实际物体完全一样。接通电源后，通过观察窗可以看见一条游动的鱼；移近或远离窗口，观察现象的变化。红绿立体图人眼之所以能看到立体图像是由于左右双眼从不同的角度观察景物，形成具有一定视差的两幅图像，各自反映到大脑，经过大脑的合成产生立体感。红绿立体图是把两幅具有适当视差的同一景物分别制成红色和绿色图像，再把这两幅图像组合在一起. 戴上红绿眼镜后，透过红色镜片只能看到红色的图，透过绿色的镜片只能看到绿色的图。因此通过红绿眼镜将具有视差的两张图各自反映到大脑，使人产生逼真的立体感.上述立体图立体感的深度，取决于两幅图的视差大小。混沌摆一个动力学系统，如果描述其运动状态的动力学方程是线性的，则只要初始条件给定，就可预见以后任意时刻该系统的运动状态。如果描述其运动状态的动力学方程是非线性的，则以后的运动状态就有很大的不确定性，其运动状态对初始条件具有很强的敏感性，具有内在的随机性。本系统就是一个非线性系统，一个很小的扰动，就会引起很大的差异，导致不可预见的结果，这种现象称之为混沌现象，这种摆称之为混沌摆。手持轴柄给系统施加一冲量矩，系统开始运动，运动情况复杂，前一时刻难以预测后一时刻的运动状态。重新启动，由于初始状态的不同，系统的运动情况就差别很大。这反映了系统运动的混沌性质。1972年12月29日，美国麻省理工学院教授、混沌学开创人之一E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为蝴蝶效应的论文，提出一个貌似荒谬的论断：在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打能在美国得克萨斯州产生一个龙卷风，并由此提出了天气的不可准确预报性。时至今日，这一论断仍为人津津乐道，更重要的是，它激发了人们对混沌学的浓厚兴趣。今天，伴随计算机等技术的飞速进步，混沌学已发展成为一门影响深远、发展迅速的前沿科学。家用冰箱空调制冷系统原理1冰箱制冷原理电冰箱就是利用了液体汽化吸热来制冷的，该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功，制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发时，吸收汽化热的原理制成的。电冰箱的喉管内，装有一种称为氟利昂，俗称雪种的致冷剂，这是一种无色无臭无毒的气体，沸点为29。氟利昂在气体状态时，被压缩器加压，加压后，经喉管流到电冰箱背部的冷凝器，借散热片散热（物质被压缩后，温度就会升高）后，冷凝而成液体。液体的氟里昂进入蒸发器的阀门之后，由于脱离了压缩器的压力，就立即化为蒸汽，同时向电冰箱内的空气和食物等吸取汽化潜热，导致冰箱内部冷却。汽化后的氟里昂又被压缩器压回箱外的冷凝器散热，再变为液体，如此循环不息，使冰箱内降温。 电冰箱制冷系统循环原理图2家用空调制冷系统原理：基本原理与上述冰箱制冷原理相同。制冷时致冷剂在冷凝器中释放热量冷却，热量被空气吸收，并由风机排出室外，在蒸发器中制冷剂吸收空气热量，冷空气被风扇吹入室内。制热时由电磁换向阀迫使致冷机流动方向发生变化，蒸发器变成冷凝器，制冷器在冷凝器中放出热量，由风扇吹入室内，室内达到采暖目的。龙卷风龙卷风的形成主要是由云层的上下温度差造成的，下降的冷空气和上升的热空气形成了气流涡旋。上面冷气流急速下降，下面热空气猛烈上升。上升气流到达高空时，如果遇到很大的水平方向的风，就会迫使上升气流“倒挂”（向下旋转运动）。由于上层空气交替扰动，产生旋转作用，形成许多小涡旋。这些小涡旋逐渐扩大，上下激荡越发强烈，终于形成大涡旋。大涡旋先是绕水平轴旋转，形成了一个呈水平方向的空气旋转柱。人造旋风在一个无顶的圆柱塔（如图所示）内形成。圆柱塔能把各个方向的风引进来。微风通过塔侧的汽门或者叶片进入塔内，然后绕弯弯曲曲的内壁盘旋上升，形成人造旋风。旋风盘旋到足够快时，会向上移动，并由塔顶冲出来。像天然旋风那样，气柱中心的气压非常低，并且形成部分真空，使塔下面的空气冲进去填满这一真空，并沿着旋风的心线向上动。 茹可夫斯基凳系统绕某一定轴转动时，若所受的合外力矩为零，则系统的角动量守恒。即：。当时，则，反之亦然！演示者坐在可绕竖直轴自由转动的座椅上，手持哑铃，两臂平伸，由旁人助其旋转或自己设法转动起来，然后慢慢收敛双臂，可以看到转速不断增大（因为不断变小，所以不断变大）。若把两手再平伸，则转速就由大变小（变大，变小）。花样滑冰中的一些精彩高速旋转动作也是使用同样原理得到的。陀螺仪陀螺仪是一种既古老又很有生命力的仪器，从第一台真正实用的陀螺仪问世以来已有大半个世纪，但直到现在，仍旧吸引着人们对其进行研究。陀螺仪最主要的基本特性是它的稳定性和进动性。 陀螺仪最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的惯性导航仪器，因而不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即作为信号传感器。根据需要，陀螺仪能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，以供驾驶员来控制飞机、舰船或航天飞机等按一定的航线飞行，而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行器的制导中，则直接利用这些信号完成航行器的姿态控制和轨道控制。作为稳定器，陀螺仪能使列车在单轨上行驶，能减小船舶在风浪中的摇摆，能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。作为精密测试仪器，陀螺仪能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。雅格布天梯演示气体弧光放电的原理。给两电极间加上足够高的电压，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。雅格布天梯下端间隔小，空气最先被击穿而放电。放电时弧光区逐渐上移，当升至一定高度时，由于两电极间距过大，空气不会被击穿，弧光熄灭。长余辉材料长余辉蓄能发光材料是光致发光（Photoluminescence）材料的一种，其激发能源是光能，可以是任何一种环境光，如：日光、灯光等。这种材料的基本发光原理是：在材料制备的过程中，掺杂的元素在基质中形成发光中心和陷阱中心，当受到外界光激发时，发光中心的基态电子跃迁到激发态，当这些电子从激发态跃迁回基态时，形成发光。同时，一些电子在受激时落入陷阱中心被束缚。光照撤除后，受环境温度的扰动，束缚于陷阱的电子跳出陷阱落到基态，释放的能量激发发光中心形成发光。由于束缚于陷阱的电子是受环境温度的扰动逐渐跳出陷阱，因此发光表现为一个长时间的过程，即形成了长的余辉。海市蜃楼大自然是变幻无穷的。夏日里在平静的海面上，有时竟会耸起楼台亭阁，繁华闹市，甚至会见到仿佛在空中航行的船舶。沙漠中，也会出现这类情形。这就是人们常说的海市蜃楼景象。海市蜃楼是在特殊的气象条件下，光线通过折射率不均匀的大气层引起的光学现象。光在均匀介质中沿直线传播，远处望去，只能见到地平线以上的景物。但光在非均匀大气层中传播，光线就会发生弯曲。大气由一层层折射率不等的介质密接组成，每一层的厚度趋于零，层数趋于无限大。空气层的折射率从下向上连续变化，折射光线就变成了一条连续曲线，如图一。在某种特殊气象条件的海面上，大气上层由于日晒不断增温，而下层则由于水的蒸发吸热作用，温度不断下降，出现接近海面的大气层温度上高下低连续变化的温度梯度。又由于温度越低大气密度越大，折射率亦越大。放在海面上形成了上小下大连续变化的折射率梯度，如图二所示，如果在远处有座楼阁，平常看不见。在上述气象条件下，从楼顶点发出的光线，以某一角度向上射入空中。由于大气折射率从下到上逐渐减小，光线不断折射，折射角逐渐增大，光线将越来越偏离法线而向着地面方向“弯曲”。当到达某一气层时，满足全反射条件，光线就会发生全反射，而转向地面传播。在反射光线的传播方向上，由于大气的折射率从上到下逐渐增加，所以光线越来越靠近法线，从而继续弯向地面。到达观察者的眼睛。由于人眼习惯了光的直线传播，所以观察者觉得光线似乎是从空中射来的。其他各点也是如此，这样就看到了空中的楼阁。直升飞机直升机主要由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。直升机的头上有个大螺旋桨，发动机驱动旋翼提供升力，把直升机举托在空中。尾部有一个小螺旋桨，称为旋翼，抵消大螺旋桨产生的反向力矩。旋翼还能驱动直升机倾斜来改变方向。直升机的突出特点是可以做低空、低速和机头方向不变的机动飞行，特别是可在小面积场地垂直起降。由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。在军用方面已广泛应用于对地攻击、机降登陆、武器运送、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、指挥控制、通信联络、反潜扫雷、电子对抗等。在民用方面应用于短途运输、医疗救护、救灾救生、紧急营救、吊装设备、地质勘探、护林灭火、空中摄影等。海上油井与基地间的人员及物资运输是民用的一个重要方面。令人惊叹的是直升机的原形居然是中国古代一种叫做竹蜻蜓的玩具。简明不列颠百科全书第9卷写道：“直升机是人类最早的飞行设想之一，多年来人们一直相信最早提出这一想法的是达芬奇，但现在都知道，中国人比中世纪的欧洲人更早做出了直升机玩具。”