大学物理实验

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014/12/20,#,大学物理演示实验,何宇红,延边大学理学院物理系,一、力学,二、热学,四、光学,三、电磁学,五、兴趣物理,六、激光器制作,实验一、平抛与自由落体运动独立性演示,实验二、弹性碰撞及载摆小车演示动量守恒,实验四、质心运动演示,实验五、滚摆运动演示实验,实验八、波动演示,实验六、刚体定轴转动部分演示实验,实验九、科里奥利力演示实验,实验七、振动、共振等演示实验,实验三、锥体自由上滚,实验一、平抛与自由落体运动独立性演示,【,实验目的,】,【,实验原理,】,1.,演示在线性相互作用（力为位置和速度的线性函数）下，质点在竖直和水平两个方向运动的独立性；,2.,物体在重力场中作平抛运动时，在两个互相垂直方向上的分运动是独立进行的，深入理解和掌握运动叠加原理。,物体在参照系中的位置矢量（位矢） 来表示。如果知道了物体任意时刻的位矢 ，则可以说物体的运动规律已为我们所完全掌握，位矢 称为物体的运动函数。与位矢 相关联的是速度 （位矢对时间的变化率 ），加速度 （速度对时间的变化率 ）及受力 。任意空间矢量都可以分解成在相互正交的三个方向的分矢量，任一运动（可用，表示）均可分解成三个分运动。,在一定条件下各分运动相互独立，即某一方向的运动不受其他方向运动的影响。根据牛顿第二定律有： 为物体受的合外力。一般情况下，是变力，它可能是速度的函数（如流体的阻力），也可能是位矢的函数（如弹簧的弹力、万有引力、静电力）。 的具体形式将决定分运动之间是否独立，如果将的具体形式代入运动学方程后，动力学方程取下列形式： 其中,均为常量，则微分方程可变成沿三个方向独立的微分方程，据此得到的分运动必然相互独立。如地球表面附近不太大的范围内， 可看作常数，若忽略空气阻力或设空气阻力与速度成正比，则斜抛物体在竖直方向和水平方向的运动相互独立。再比如，若物体作斜抛运动时速度很快，空气阻力与速度的二次方成正比，即使认为 为常数，此时竖直方向的运动与水平方向的运动也不再独立，由此可见，运动的合成和分解是普遍的、无条件的，而运动的独立性不是运动本身的固有特征。,实验二、弹性碰撞及载摆小车演示动量守恒,实验,1.3,超弹性现象演示动量定理,实验,1.4,球摆演示碰撞,实验,1.5,七联球碰撞演示,实验,1.6,三联球碰撞演示,实验,1.7,载摆小车演示动量守恒,1.3,、,超弹性现象演示动量定理,【,实验目的,】,【,实验原理,】,完全弹性碰撞,演示三个不等质量球或多个球参与的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。,若两球碰撞前的速度矢量都沿着两球的连心线，则在碰撞后它们的速度矢量也必然沿着两球的连心线的方向，这样的碰撞叫做“球的对心碰撞”或“正碰”。,两个球弹性正碰时，由动量能量守恒原理，较小的球的动量改变最大是其动量变化。而当有第三球介入时，较小的球将是与速度很大的较大的球相向正碰，它获得的动量改变将较两个球正碰时大得多。多球连续正碰时，效果将更加明显。,取速度方向为正向，由动量守恒定律得,设有两个质量分别为 和,速度分别为 和 的弹性小球作对心碰撞,两球的速度方向相同,.,若碰撞是完全弹性的,求碰撞后的速度 和,.,对于材料一定的球,碰撞分开的相对速度与碰撞前接近的相对速度成正比,.,由碰撞定律可知：,(e,叫恢复系数,),碰前,碰后,若 时，则即碰撞前后两球相对速度大小不发生变化的情况。这时,变为,:,乘以,:,得,:,碰撞前后质点系总动能不发生变化,-,完全弹性碰撞,碰前,碰后,（,1,）若,（,2,）若,讨 论,（,3,）若,则,且,则,则,且,2.,两个完全弹性球,一个是重球,另一个是轻球,重球在下,轻球在上同时离钢板高,H,处下落。重球与钢板相碰,以原速率反弹,那么,轻球能够上升多高,?,思考题,m,M,v,1.,设本球串由直径分别为,1cm,、,3cm,、,5cm,、,8cm,的四个同质均匀球组成，从,0.3,米高处自由下落,求弹性碰撞的结果使最小球弹起的最大高度。,演示,:,取一大一小两个弹性很好的球,如市场上售的彩色半透明硅橡胶制成的实心球。大球直径,4,0cm,以上,小球直径,2,0cm,以下。将小球放在大球的正顶部,贴住大球。用单手拿这样配置的两个球,从约,0,5m,高度放手,使它们一起自由下落,(,也可用打足气的篮球、排球来代替大的弹性球,),。结果你看到它们落地后,小球被反弹到,2m,3m,高处。注意,:,演示成功的关键是二球在落地时发生正碰。,【,实验目的,】,【,实验原理,】,实验,1.4,球摆演示碰撞,1.,演示等质量弹性球的对心碰撞。,2.,借助球摆演示动量守恒和角动量守恒的区别及相关条件。,根据牛顿第三定律作用力与反作用力大小相等方向相反,据此可推知在某一方向若物体绕系统所受外力为零,即使物体系内部相互作用力很大,物体系在该方向的动量也总保持守恒,;,可绕固定轴转动的物体系统外力矩为零,物理系内部不同部件间存在较大内力,即使内力作用前后部件运动状态改变很大,其总角动量也要保持守恒。,本实验中弹性球对心碰撞的两球质量相同时，则,。,【,实验目的,】,【,实验原理,】,实验,1.5,七联球碰撞演示,演示五个和七个等质量球的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。,若干个具有相同质量和半径的小球悬挂在同一高度上。当静止时，小球间恰能接触并且悬线平行。假设小球的质量均为 ，碰撞前的速度分别为 ，碰撞后的速度分别为 。将一侧的小球拉起，然后释放，忽略势能的储存和消耗，则,根据动量守恒，有,根据动能守恒，有,对于多个球，并且考虑到， ，,解得 ，,完全弹性碰撞,（五个小球质量全同）,观看录像,【,实验目的,】,【,实验原理,】,实验,1.6,三联球碰撞演示,1.,演示三个不等质量球参与的弹性碰撞过程，加深对动量原理的理解。,2.,演示小球的超弹性碰撞，使学生深刻理解弹性碰撞的动量原理，进而理解小航天器绕过大质量天体时的弓矢效应。,两个弹性的对心碰撞后的速度为：,则,则,讨 论,且,例：“弹弓效应”,:,超级球实验富有佯谬性的戏剧性的结果,已被应用在空间探测器上。空间探测器从大行星旁绕过时,由于行星的引力作用,可以使探测器的运动速率增大,这种现象被称之为“弹弓效应”。在航天技术中“,弹弓效应”常常用来作为增大人造小天体运动速率的一种有效方法。,【,实验目的,】,【,实验原理,】,实验,1.7,载摆小车演示动量守恒,演示物理摆和小车构成的系统的一维（水平）动量守恒。,物理或物体系（质点系）在某一方向受到的合外力为零时，它在此方向上的动量将保持不变。载摆小车上摆与小车构成一体，摆偏离平衡位置在重力作用下摆动时，它们的连接点将受到力的作用。小车将受到向下向上的力，由于小车在水平桌面上，重力、支持力及摆的力使小车不能产生上下的运动；但在摆球向前向后运动时，小车将受到向后向前的力面前后运动。在忽略摩擦阻力和空气阻力时，载摆小车将前后往复运动。但由于存在着摩擦阻力和空气阻力使摆球的初始水平速度比摆回来时相反方向的速度要大一些，故其最后停止的位置较初始位置将有一个向摆球初始水平速度相反方向的移动。,本演示实验可否以水中的小船代替小车？为什么？,思考题,实验三、锥体自由上滚,【,实验目的,】,【,实验原理,】,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、趋于稳定的规律运动。,2.,说明物理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 能之间的相互转换。,本实验的核心在于刚体在重力场中的平衡问题，而自由运动的物体在重力的作用下总是平衡在重力势能极小的位置。如果物体不是处于重力场中势能极小值状态，重力的作用总是使它往势能减小的方向运动。本实验演示锥体在斜双杠上自由滚动的现象，巧妙地利用锥体的形状，将支撑点在锥体轴线方向上的移动,(,横向,),对锥体质心的影响同斜双杠的倾斜,(,纵向,),对锥体质心的影响结合起来，当横向作用占主导时，甚至表现为出人意料的反常运动，即锥体会自动滚向斜双杠较高的一端。,观看录像,1,质心的概念,质心及质心运动定理概念,把整个系统想象成一个质点（即质心），然后外部对这个系统的作用力就可以看成是作用在这个虚拟的质点上，这个虚拟的质点的动量的变化率就可以看成是外部作用力的效果。,回旋镖运动,2,质心的位置,m,1,m,i,m,2,c,质心在整个物体的包络内,物体若有某种对称性，质心就位于对称的位置。,几个物体的质心满足质心组合关系,由,n,个质点组成的质点系，其质心的位置：,质心运动定理,:,即作用于质点系的合外力等于质点系的总质量与质心加速度的乘积。,对时间,t,求二阶导数,质点系动量定理,刚体的一般运动,质心的平动,绕质心的转动,+,