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演示物理实验讲义演示物理实验讲义 淮阴师范学院物理系淮阴师范学院物理系 2008 年年 6 月月 1 目目 录录 实验一 直升飞机演示角动量守恒 1 实验二 角动量守恒原理 3 实验三 伯努力原理 5 实验四 傅科摆 8 实验五 弹簧纵驻波 11 实验六 弦驻波 13 实验七 共振演示 15 实验八 昆特管 17 实验九 耦合摆 19 实验十 静电高压发生装置 21 实验十一 大型法拉第笼 23 实验十二 模拟高压带电作业 26 实验十三 静电系列实验 28 实验十四 跳环演示楞次定律 32 实验十五 霍尔元件测亥姆霍磁线圈的磁场 34 实验十六 居里点演示仪 36 实验十七 互感演示仪 38 实验十八 三维电子在磁场中的偏转 41 实验十九 汤姆逊电磁铁 43 实验二十 手触电池 45 实验二十一 迈克尔逊干涉仪 47 实验二十二 组合干涉仪 50 实验二十三 光纤干涉与温度传感 54 实验二十四 偏振光干涉 57 实验二十五 双棱镜干涉测光波波长 59 实验二十六 皂膜 61 实验二十七 光的衍射 64 实验二十八 玻璃堆起偏与检偏 66 实验二十九 光的偏振 68 实验三十 旋光色散 71 实验三十一 海市蜃景 73 实验三十二 几何光学系列实验 75 实验三十三 液晶的电光效应 79 实验三十四 磁致旋光效应 82 1 实验一实验一 直升飞机演示角动量守恒直升飞机演示角动量守恒 一 实验目的一 实验目的 掌握和理解角动量守恒原理 了解直升机尾翼的作用 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 根据刚体的角动量守恒定律可知 绕定轴转动的刚体 当对转轴的合外力矩 为零时 刚体对转轴的角动量守恒 由几个刚体组成一个定轴转动系统 只要整 个系统所受合外力对轴的力矩矢量和为零 系统的总角动量也守恒 对机身 螺旋桨和尾桨构成的直升机转动系统来说 系统不受到对转轴的合 外力矩 由定轴转动的角动量守恒定律可知 直升飞机系统对竖直轴的角动量应 保持不变 本实验利用直升飞机模型演示了角动量守恒定律和角动量定理 当通电使机 身上面的螺旋浆旋转时 螺旋浆便对竖直轴产生了角动量 根据角动量守恒定律 2 机身必须向反方向转动 使其对竖直轴的角动量与螺旋浆产生的角动量等值反 向 以保持系统的总角动量不变 开动尾翼时 尾翼推动大气产生补偿力矩 根 据角动量定理 该力矩能够克服机身的反转 使机身保持不动 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 打开位于电源箱后方的电源开关 2 扳下机身螺旋桨控制按钮 观察到机身和螺旋桨沿着相反的方向旋转起 来 加大 或减小 螺旋桨转速 机身的转速也将随之加大 或减小 3 再扳下尾翼螺旋桨控制按钮 注意开关的方向与机身螺旋浆控制开关的 方向应一致 尾翼螺旋桨旋转 机身转速变慢 调整尾翼螺旋桨转速 直至机 身不再旋转 4 关闭尾翼螺旋桨控制按钮 改变机身螺旋桨控制开关的方向 使其反转 机身旋转的方向也随之反向 5 再次按下尾翼螺旋桨控制按钮 注意其开关的方向也反向 调整尾翼螺 旋桨转速 直至机身不再旋转 6 关闭尾翼螺旋桨按钮 将机身螺旋桨的转速降到最低 关闭控制按钮 7 关闭仪器电源 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 两个控制开关的方向一定要一致 否则不但不能使机身平衡 反而会使 机身越转越快 2 实验过程中切勿触碰飞机模型 以免损坏 3 螺旋桨的速度不要过大 否则尾翼的力矩将不能平衡机身的转动 3 实验二实验二 角动量守恒原理角动量守恒原理 一 一 实验目的实验目的 观察物体的角动量守恒现象 理解角动量守恒原理 理解转动惯量概念 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理实验原理 根据刚体的角动量守恒定律可知 绕定轴转动的刚体 当对转轴的合外力矩 为零时 刚体对转轴的角动量守恒 由几个刚体组成一个定轴转动系统 只要整 个系统所受合外力对轴的力矩矢量和为零 系统的总角动量也守恒 角动量守恒转台实验中 实验者手持转轮站在转台上 人 转轮和转台构成 的转动系统 并且这个系统不受到对转轴的外力矩 因此系统对转轴的角动量守 恒 开始时系统静止 角动量为零 让转轮转起来便产生了对转轴的角动量 从 而人与转台必须向反方向转动 使其产生对转轴的反方向角动量 以保持该系统 上图 角动量守恒转台 左图 茹可夫斯基凳 4 的总角动量仍然为零 当实验者将转动的转轮翻转 为了保持系统的总角动量为 零 人与转台的转动方向也要同时反转 茹可夫斯基凳实验中 因为人的双臂并不产生对转轴的外力矩 忽略转轴的 摩擦 系统的角动量应保持守恒 人和凳的转速随着人手臂的伸缩而改变 当人 手伸开时 系统的转动惯量增大 从而人和凳的转速减小 当人手合拢时 系统 的转动惯量减小 从而人和凳的转速增大 四 实验内容和实验步骤四 实验内容和实验步骤 1 实验者手握转轮站在转台上 拨动转轮 使转轮转动起来 2 将转轮举过头顶并使之处于水平转动的状态 观察到人与转台沿着与转 轮相反的方向转动 3 将举轮的手臂下垂 仍使转轮处于水平转动的状态 只是改变了转轮的 转动方向 观察到人与转台也改变了转动的方向 4 重复上述操作 5 操作者手持哑铃坐在凳上 将哑铃收在胸前 另一个人将操作者推转 速度尽量快 6 操作者迅速将哑铃水平伸开 人与凳子的转速明显变慢 7 操作者再迅速将哑铃水平收回到胸前 人与凳子的转速明显变慢 8 重复上述操作 5 6 7 5 实验三实验三 伯努力原理伯努力原理 一 实验目的一 实验目的 定性观察流体的伯努力原理的实例 理解伯努力原理 了解伯努力原理的应 用 了解飞机机翼的设计原理 二 仪器装置二 仪器装置 上图 飞机升力 左图 伯努力悬浮球 6 三 实验原理三 实验原理 1726 年 伯努利通过多次实验 发现了 边界层表面效应 流体速度加快 时 物体与流体接触的界面上的压力会减小 反之压力会增加 为纪念这位科学 家的贡献 这一发现被称为 伯努利效应 也称伯努利原理 伯努利效应适用 于包括气体在内的一切流体 是流体作稳定流动时的基本现象之一 反映出流体 的压强与流速的关系 在同一流线上 流体的流速越大 压强越小 流体的流速 越小 压强越大 当流体的速度增大时 其压力则减小 当流体的速度减小时 其压力则增大 根据伯努利原理 伯努利悬浮球实验中由喇叭向外喷出的高速气流在气球中 心处被分散开 是滑过气球的边侧的 由喇叭向外喷出的高速气流使气球顶部的 空气因流速大而压强变小 气球的下部 由于空气流速小 压强变大 气球顶部 和底部的压强差造成了对气球向上的推力 从而使得气球能浮起来 一般翼型的前端圆钝 后端尖锐 上表面拱起 下表面较平 呈鱼侧形 当 气流迎面流过机翼时 流线分布情况如图 原来是一股气流 由于机翼的插入 被分成上下两股 通过机翼后 在后缘又重合成一股 由于机翼上表面拱起 使 上方的那股气流的通道变窄 流速加快 根据伯努利原理可以得知 流速大的地 方压强小 机翼上方的压强比机翼下方的压强小 也就是说 机翼下表面受到向 上的压力比机翼上表面受到向下的压力要大 这个压力差就是机翼产生的升力 飞机机翼上下表面的流线 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 打开伯努利悬浮球演示仪箱体上的电源开关 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 7 4 打开飞机升力演示仪箱体上的电源开关 用手感受一下出风口处的气流 5 把手移开 观察到小球从管内升起 6 用手挡住出风口 小球立即从管内下落 7 重复操作 5 6 观察小球在管内的起落 8 实验结束 关闭电源 8 实验四实验四 傅科摆傅科摆 一 实验目的一 实验目的 观察傅科摆的偏转现象 了解科里奥利力 理解傅科摆摆面的偏转的原因 了解地球自转的影响 二 仪器装置二 仪器装置 9 三 实验原理三 实验原理 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 发现在摆的过程中 摆动平面不断作顺时 针方向的偏转 从而证明地球是在不断自转 地球自西向东旋转 其角速度 的方向沿地轴指向北极 Z 轴 如图 1 所示 处于北半球某点的运动物体速度v 方向 如图 2 所示 那么该物体所受的科里 奥利力的表达式为 vmfc2 科里奥利力 c f 的方向垂直于一个平面 这个平面是由v 和 的方向所组成的 平面 所以 c f 垂直于v 使v 发生偏转 北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹 傅科的演示直接证明了地球自西向东的自转 在地球的两极 傅科摆的摆动 图 1 角速度与转动方向的关系 图 2 科里奥利力 Z 轴 10 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 傅科摆在地球的不同地点旋 转的速度不同 说明了地球表面不同地点的线速度不同 因此 傅科摆还可以用 于确定摆所处的纬度 四 实验内容四 实验内容 1 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 2 调节底盘上的定标尺 使其方向与单摆的摆动方向一致 3 经过一段时间 大约 1 2 小时 观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹 角 大约 10 20 度 11 实验五实验五 弹簧纵驻波弹簧纵驻波 一 实验目的一 实验目的 观察弹簧纵驻波现象 观测驻波波腹波节 理解驻波形成条件 掌握频率与 波长关系公式 二 仪器装置二 仪器装置 12 三 实验原理三 实验原理 根据波动理论 频率 振动方向及振幅都相同的两列简谐波 在同一直线上 沿相反方向传播时叠加形成驻波 驻波中既没有相位的空间移动 也没有能量的 定向传播 各点均在自己的平衡位置附近作简谐振动 故称驻波 振幅最大处为 波腹 振幅为零处为波节 波节波腹位置是固定的 相邻两波节或波腹间的距离 都是半个波长 两波节之间各振动相位相同 波节两侧各振动相位相反 驻波能 量只能在波节与波腹间来回传播 弹簧上的纵波在对应的固定端被反射 本实验中调节电源频率 当满足一定 的频率条件 反射波与入射波可叠加形成驻波 本实验观察到的是纵驻波 驻波 形成时 波节处弹簧保持不动 波腹处沿弹簧方向有最大的振幅 适当增大电压 现象更为显著 改变电源频率 可以观察到不同波长的驻波 如果频率增高驻波 波长将变短 反之频率降低则波长变长 四 实验内容与操作步骤四 实验内容与操作步骤 1 将装置放在有白墙作衬底的环境下 2 打开电源 适当增大电压 电压不宜太高 使弹簧发生振动 3 缓慢调节频率 直到弹簧上呈现明显的波腹和波结 即形成纵驻波 此时再适当增大电压 现象更为显著 4 缓慢改变频率 直到再次出现明显的波腹和波结 如果频率增高波长将 变短 频率降低则波长变长 5 结束实验 将频率和电压调至最低 关闭电源 五 仪器操作注意事项 五 仪器操作注意事项 1 开机前 先将电压调节旋钮逆时针减到最小 预防开机后电压过大而造 成的弹簧振动过大 2 调节频率时 注意观察电压值 并配合调节 避免弹簧振动过大或过小 而影响实验效果 3 注意电压每次调节一般不要超过 0 5V 13 实验六实验六 弦驻波弦驻波 一 实验目的一 实验目的 观察弦驻波 了解半波反射 理解驻波形成条件及驻波特点 定性了解驻波 波长与入射波长及弦张力的关系 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 频率 振动方向及振幅都相同的两列简谐波 在同一直线上沿相反方向传播 时叠加形成驻波 驻波中既没有相位的空间移动 也没有能量的定向传播 各点 均在自己的平衡位置附近作简谐振动 振幅最大处为波腹 振幅为零处为波节 波节波腹位置是固定的 两波节之间各振动相位相同 波节两侧各振动相位相反 实验时 通常利用端面或端点的反射波与入射波叠加来形成驻波 在两端都 为固定端的情况下 只有满足弦的长度等于驻波半波长的整数倍时 才可形成驻 波 通过改变入射波长 改变信号源的频率 或改变波速 改变弦的张力 都 可以形成不同波长的驻波 四 实验内容和实验步骤四 实验内容和实验步骤 1 首先将信号源控制振幅电压输出调至最低 打开电源 2 适当增大电压至弦平稳振动 然后调节频率旋钮 直到出现弦驻波 3 多次改变频率 观察不同的弦驻波 注意波腹与波节数目 4 将频率固定 调节另一端的滑轮手柄 改变弦线的张力 也可以改变波 14 腹与波节的数目 5 实验结束 关闭电源 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 实验中输出电压不要太高 每次变化不能太大 2 改变弦线的张力时 务必注意用力不能过大 15 实验七实验七 共振演示共振演示 一 实验目的一 实验目的 观察机械共振现象 理解共振条件 了解共振的危害 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 振动系统在周期性外力的作用下所发生的振动称为受迫振动 这个周期性外 力称为驱动力 根据机械振动理论 当驱动力频率 和振动系统固有频率 0 满 足关系 22 0 2 时 受迫振动的位移振幅达到最大 称为位移共振 阻尼 越小 共振频率越接近固有频率 0 位移振幅就越大 机械共振演示系统演示了位移共振现象 系统的驱动力由振源带动载物台振 动加到振子上 台上的振子作受迫振动 当振源频率与台面上某物体的固有频率 相接近时 可观察到该物体发生共振的现象 其振动位移非常明显 16 共振的位移振幅与驱动力频率的关系 四 实验内容与实验步骤四 实验内容与实验步骤 1 接好电源线和信号线 2 开机前 先将频率调节旋钮和电压调节旋钮逆时针调到最小 3 开机后 逐渐加大频率 同时逐渐增大电压 可观察到信号源频率与台 面上某物体的固有频率相接近时 该物体发生共振的现象 4 反复操作步骤 3 进行观察 5 实验完毕 将频率调节旋钮和电压调节旋钮调回最小 关闭电源 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 不同振子共振时所需的信号源电压不同 调节频率时要配合适当调节电 压 2 信号源电压一定要从小到大缓慢调节 出现共振现象即可 电压切勿过 大 17 实验八实验八 昆特管昆特管 一 实验目的一 实验目的 通过昆特管观测驻波 了解半波反射 定性观测驻波波腹波节 学习利用昆 特管测量空气中波速 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 振源发出的声波 纵波 在昆特管的空气中传播 经反射端反射形成反射波 当波长与管长满足一定的条件时 反射波与入射波叠加就会形成驻波 驻波的振 动会激发煤油的振动 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 因此 驻波的波腹处 压强最小 因此煤油被激起 形成浪花 此处 液体振动最激烈 而波节点处煤油则保持静止 通过调节昆特管振源的频率 可 以在管内形成不同频率 模式 的驻波 从而在管内形成不同形式的浪花 由于波速 频率 波长 根据波长和频率可以测出昆特管中的波速 相邻波腹 或波节 间的距离为半个波长 反射端由于半波损失 形成波节 波节到波腹的距 离为 1 4 波长 四 实验内容与实验步骤四 实验内容与实验步骤 1 将信号源电压输出旋钮逆时针旋转 使电压调至最低 打开信号源 2 将信号频率调至某一参考值 标在仪器上 附近 逐步加大信号源输出电 18 压 再调节频率微调旋钮直至管内出现明显的片状浪花 即在管内形成了稳定的 驻波 若水花不够大可适当增大电压值 3 改变信号源频率 重复上述操作 观察管内出现的相邻浪花的间距 特别 注意昆特管的反射端到第一个浪花的距离是其它浪花间距离的一半 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 每次改变频率之前先降低输出电压 调好频率后再增大电压 以免声音 太大 2 仪器上标出的可形成驻波的频率是参考值 实验时要在该值附近认真调 节 参考值大约都在 180 赫兹 280 赫兹 360 赫兹 420 赫兹左右 19 实验九实验九 耦合摆耦合摆 一 实验目的一 实验目的 观察不同耦合长度对振动系统的影响和规律 并从中观察 拍 的现象 学会 验证耦合长度的平方分别与支频率的平方和反相振动简正频率的平方成线形关 系 测定单摆的固有圆频率和耦合摆的简正频率 二 仪器装置二 仪器装置 20 三 实验原理三 实验原理 两个完全相同的单摆 用一条很轻的弹簧联结起来 这种系统称为耦合摆 耦合摆的振荡与两个单摆的初相位有关 两个单摆同相 相位差为0 或反相 相位 差为 时 这种情况下耦合摆的振荡是稳定的 而对于初相位差不为0或 的耦 合摆 耦合摆的振荡是不稳定振荡 两个单摆将不断交换能量 来回振荡 当两 个单摆的振动周期相差很小时 耦合摆的振荡将出现拍的现象 耦合摆实验可以观测弹簧传递能量的过程和拍的现象 可以定量测量同相 位 反相位振动以及简正振动和拍频等物理参数 改变耦合弹簧在单摆上的位置 就可以改变系统的耦合度 可以明显观察到耦合度大小对振动系统的影响和规 律 四 实验内容四 实验内容 1 不加耦合弹簧 调整两个单摆的固有圆频率相等 2 测量耦合摆的支频率 3 测定耦合摆同相简正频率 4 测定耦合摆反相简正频率 5 用作图法验证耦合长度的平方分别与支频率的平方和反相振动简正频率 的平方成线形关系 21 实验十实验十 静电高压发生装置静电高压发生装置 一 实验目的一 实验目的 了解静电发生器的原理和结构 理解同种电荷带电的性质和等电势的概念 二 仪器装置二 仪器装置 1 绝缘站台 2 金属球 3 装置主体 内含高压静电起电机 4 控制台 5 放电杆 接地 三 实验原理三 实验原理 根据导体的静电特性 导体内部没有净电荷 电荷只能分布在导体的外表面 上 大型静电高压演示装置 实际内部为范德格拉夫静电起电机 由 5 10 万伏 的高压直流电源通过放电针尖端放电把电荷转移给传送带 由橡胶或丝织物制 成 由电动机拖动传送带 传送带把电荷传送到金属球内部后 由金属球内部 的集电针收集电荷输送到金属球的外表面上 从而使得球体外表面带上高压静 电 22 实验中按照严格的操作步骤使静电高压演示装置正常工作后 当实验者与电 高压的球体接触后 人体与球体构成等势体 同时人体上带有大量的静电电荷 较柔软的头发丝由于带有同种电荷而相互排斥而分开 从而形成 怒发冲冠 的 效果 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 实验开始用放电杆对金属球放电 2 放电后请一位观众站在绝缘台上 用一只手接触金属球 3 打开仪器控制台总开关 仪器通电 开始正常工作 4 按下 干燥 按钮 对仪器进行干燥 5 按下 合闸 按钮 然后旋转电压控制旋钮将电压升至 150 200KV 观 察表演效果 6 旋转电压控制旋钮 降压至零位 按下 分闸 按钮 关闭仪器控制台 总开关 关闭仪器电源 7 表演结束 请绝缘台上观众走下绝缘台 并两脚同时落地 8 用放电杆对金属球放电 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 实验开始务必用放电杆对金属球放电 2 实验过程中 表演者的手切记不要离开金属球 如果离开 则切记不要 再重新接触金属球 3 旁观观众不要离仪器过近 应保持 2 米以上距离 不要用手指或金属物 体指点金属球 4 实验结束后 务必用放电杆对金属球放电 并将仪器降压至零位后关闭 控制台总电源 5 用放电杆对金属球放电时放电杆应缓慢地靠近金属球 6 如果在实验过程中出现意外 操作人员应立刻切断实验室总电源 23 实验十一实验十一 大型法拉第笼大型法拉第笼 一 实验目的一 实验目的 深入理解等势体的概念 理解等势体内部和外部电场 电势的特点 了解静 电屏蔽的原理 观察电弧放电现象 二 仪器装置二 仪器装置 1 法拉第笼笼体 2 变压器 3 水阻 4 控制台 5 放电竿 接地 三 实验原理三 实验原理 法拉第笼是以电磁学的奠基人 英国物理学家迈克尔 法拉第的姓氏命名的 一种用于演示等电位 静电屏蔽和高压带电作业原理的设备 它是由金属笼体 高压电源 控制部分组成 其笼体与大地连通 表演时先请几位观众进入笼体后关闭笼门 操作员接通电源 高压电源通过 限流电阻将直流高压输送给笼体 将放电杆靠近笼体时 出现放电火花 这时即 使笼内人员将手贴在笼壁上 使放电杆向手指放电 笼内人员也不会触电 这是 24 因为根据接地导体静电平衡的条件 金属笼体是一个等位体 内部电位为零 电 场为零 电荷分布在接近放电杆的金属笼体外表面上 放电电流是通过金属笼体 外的放电杆传入大地 笼内人员身体并不存在电位差 没有电流通过 所以没有 触电的感觉 高压带电作业操作员的防护服就是用金属丝制成 接触高压线时形成等电 位 人体不通过电流 起到保护作用 外壳接地的法拉第笼可以有效地隔绝笼体 内外的电场和电磁波干扰 这叫做 静电屏蔽 许多仪器设备采用接地的金属外 壳可有效地避免壳体内外电场的干扰 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 实验开始前 用放电杆对法拉第笼放电 2 放电后请一位观众进入法拉第笼 并关好笼门 3 打开仪器控制台总电源开关 按下 合闸 按钮 然后按住 升压 按 钮 升压至 120KV 4 将放电杆慢慢接近法拉第笼 观察笼体与放电杆之间的电弧 5 按住 降压 按钮 降压至零位 按下 分闸 按钮 关闭仪器控制台 总开关 关闭仪器电源 6 用放电杆接触法拉第笼一分钟后 打开笼门 表演者走出笼体 7 用放电杆对法拉第笼放电 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 表演者进入法拉第笼前后 务必用放电杆对法拉第笼放电 2 仪器开始工作后 其他人员禁止进入防护区 观众必须站在隔离装置外 安全位置 离仪器应保持 2 米以上距离 3 为保护仪器的使用寿命 升压最大不要超过 160KV 4 用放电杆对拉第笼放电或观察电弧时 放电杆应缓慢地靠近拉第笼 5 实验结束后 务必用放电杆对金属球放电 并将仪器降压至零位后关闭 控制台总电源 6 要定期检查接地电阻 小于 5 高压水阻 有效范围 40 60K 接地 水阻阻值 有效范围 1 3K 如果水阻阻值变化较大 应及时更换水 盐 7 连续两次表演之间时间间隔不得小于 10 分钟 第二次表演之前应测量水 25 阻阻值 如阻值无变化 可正常使用 8 如果在实验过程中出现意外 操作人员应立刻切断实验室总电源 26 实验十二实验十二 模拟高压带电作业模拟高压带电作业 一 实验目的一 实验目的 理解高压带电作业的原理 理解等电势的概念 体验在 1 5 万伏的高压下进 行高压带电作业的感受 二 仪器装置二 仪器装置 1 电塔模型 2 静电电源 3 高压输电线 铜导线 4 导线挂钩 5 绝缘铝凳 三 实验原理三 实验原理 对人体造成的威胁并不是由于电势高造成的 而是电势梯度大造成的 为了 能在不断电的条件下检修和维护高压线路 根据等电势高压带电作业方法 作业 人员必须穿戴金属均压服 包括衣 帽 手套 和鞋 等 用绝缘软梯通过瓷瓶 27 串逐渐进入强电场区 当手与高压线直接接触时 在手套和电压线之间发生火花 放电后 人和高压线就等电势了 从而就可进行操作了 本实验根据等电势高压带电作业的方法模拟高压带电作业 实验中操作人员 站在与地良好绝缘的金属铜板上 将与金属板良好连接金属钩快速挂在裸露的高 压输电铜线上 使金属铜板与高压输电铜线等势 此时站在铜板上的人与高压输 电铜线等势 其间没有电势梯度 操作人员可以任意触摸高压输电线 进行等电 势高压带电作业而没有任何危险 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 将高压电塔模型上的高压输电线与静电高压电源相连接 2 打开静电高压电源开关 仪器通电 正常工作 3 表演者赤脚站在高压绝缘凳的铝板上 将与绝缘凳上铝板连接的导线挂 钩挂在高压输电线上 然后表演者可以随意接触高压线 进行不停电检修操作 4 演示完毕后 先将连在铝板上的导线挂钩从高压线上摘下 然后从凳上 走下来 5 关闭静电高压电源 六 仪器操作注意事项六 仪器操作注意事项 1 实验过程中表演者必须赤脚站在高压绝缘凳的铝板上 以保证人体与高 压电线等电位 2 实验过程中表演者接触高压线之前 务必先将与绝缘凳上铝板连接的导 线挂钩挂在高压输电线上 3 实验过程中表演者切记不可接触与地相连的导体 4 实验完毕后 注意切不可从凳上直接下来 必须先将连在铝板上的导线 挂钩从高压线上摘下 然后才能从凳上走下来 5 如实验过程中出现意外 操作人员应立刻切断实验室总电源 28 实验十三实验十三 静电系列实验静电系列实验 一 实验目的一 实验目的 观察 理解带电平板间电场分布 观察不规则带电导体周围电场分布 理解 导体表面电场与电荷面密度间关系 观察静电感应现象和尖端放电现象 对静电 的基本概念 原理和特点进行深入理解 二 仪器装置二 仪器装置 图 1 静电跳球 图 2 静电摆球 图 3 平行板电场分布 图 4 静电风轮 尖端放电 29 图 5 静电滚筒 尖端放电 图 6 电风吹烛 尖端放电 图 7 避雷针原理 尖端放电 三 实验原理三 实验原理 1 带电平行板间电场分布 平行板在高压电源的作用下 将产生平行电场 电场方向垂直于两平行板 丝线在电场作用下极化 极化电荷受平行板间电场的电场力作用 沿电场方向排 列 显示出平行带电板电场的分布 如果平行板中某侧的丝线较长 碰到另一侧 的平行板 丝线上的电荷将被中和并带上相反的电荷 丝线又会被本侧的平行板 30 吸附 丝线上的电荷再次被中和 因此部分丝线会出现在两平行板之间间歇地跳 动 2 异型导体周围电场分布 导体带电后在周围空间产生静电场 静电平衡时 导体上的电荷分布及周围 电场的分布均与导体的形状有关 孤立导体带电后的电荷分布与曲率半径有关 曲率半径小 导体表面较尖锐处 电荷面密度大 导体表面附近的电场强度较 大 曲率半径大 导体表面较平滑处 电荷面密度小 导体表面附近的电场强 度较小 曲率半径为负值 导体表面向内凹陷处 电荷面密度最小 该处导体 表面附近的电场强度最小 孤立导体带电达到静电平衡 整个导体是等势体 导 体表面是等势面 而周围静电场的场强应处处与等势面垂直 实验中 高压静电 电源与异型导体相连接 通电后逐渐增大电源电压 将观察到导体上的红丝线张 开 红丝线张开角度大小表明该处电荷密度的大小和电场的强弱 电压较低时 可看到曲率半径小的地方红丝线张角较大 电压较高时 红丝线的取向可模拟异 型导体的电场线 3 静电感应现象 一个带电导体附近的金属体 在其靠近带电导体的一侧会感应出与带电导体 异号的电荷 在另一侧会感应出等量的与带电导体同号的电荷 这就是静电感应 现象 当两块平行板分别带上正 负电荷时 平行板间的金属球两边分别被感应 出与邻近极板异号的电荷 球上感应电荷又反过来使极板上电荷分布改变 从而 使两极板间电场分布发生变化 如果金属球位于两极板的正中央 由于金属球受 到两极板的作用力相同 故这种情况下小球静止 此时若将金属球稍微拨离平衡 位置 使得它与某个极板相距较近 则金属球受到这个极板的引力较大 而与另 一个极板距离较远 受力较小 这样球就摆向距球近的这一极板 当球与这极板 相接触时 金属球带有的与这个极板异种电荷被中和 完全带有与这个极板同种 的电荷而被这个极板排斥 同时被另一个极板吸引 使球又摆向另一侧的极板 持续加电 球就在两极板间往复摆动 并发出乒乓声 关闭电源后 金属球会因 惯性 在一段时间内做微小摆动 最后停止在平衡位置 4 尖端放电现象 静电平衡的导体表面的面电荷密度与表面曲率成正比 因此金属尖端上电荷 31 面密度很大 周围的电场很强 所在处空气中散存的带电粒子 电子或离子 在 尖端强电场作用下作加速运动时就可能获得足够大的能量 以致它们和空气分子 碰撞时 能使后者离解成电子和离子 产生大量的带电粒子 与尖端所带电荷异 号的带电粒子受到吸引 飞向尖端 将尖端上的电荷中和 与尖端所带电荷同号 的带电粒子受到排斥而从尖端附近飞离 就好像尖端上的电荷被喷射出来放掉一 样 故称做尖端放电 四 实验内容四 实验内容 1 平行板电场分布 2 异型导体周围电场分布 3 静电跳球 4 静电摆球 5 静电风轮 6 静电滚筒 7 电风吹烛 8 避雷针原理 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 实验开始和结束后都必须用放电叉或接地极对仪器放电 2 实验使用高压静电电源 注意安全 静电电源升降压时应缓慢升降 试 验结束后务必将电源电压降至零 32 实验十四实验十四 跳环演示楞次定律跳环演示楞次定律 一 实验目的一 实验目的 通过观察闭合和非闭合环状导体在变化磁场中运动情况 理解楞次定律 理 解电磁感应现象 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 楞次定律表明 闭合的导线回路中所出现的感应电流 总是使它自己所激发 的磁场反抗任何引发电磁感应的原因 例如相对运动 磁场变化或线圈变形等 本实验采用的跳环式楞次定律演示仪利用通电线圈及线圈内的铁芯所产生 的变化磁场与铝环的相互作用 演示楞次定律 当线圈中突然通电流时 穿过闭 合的小铝环中的磁通量发生变化 根据楞次定律可知 闭合铝环中会产生感生电 流 且感生电流的方向和原线圈中的电流方向相反 因此与原线圈相斥 相斥的 33 电磁力使铝环上跳 而对于有缺口的铝环 由于回路不闭合 当线圈中突然通电 流时 铝环中有感应电动势而没有感应电荷 所以有缺口的铝环不会跳动 四 实验内容四 实验内容 1 将闭合环状铝环套在线圈中的铁芯上 这时铝环由于重力作用落于下部 2 接通电源 按下通电按钮 观察铝环运动情况 分析铝环运动的原因 验证愣次定律 3 将有小孔的闭合环状铝环套在铁芯上 按下通电按钮 观察铝环运动情 况并分析原因 4 将有缺口的铝环套在铁芯上 按下通电按钮 观察铝环运动情况 并根 据愣次定律分析原因 34 实验十五实验十五 霍尔元件测亥姆霍磁线圈的磁场霍尔元件测亥姆霍磁线圈的磁场 一 实验目的一 实验目的 观测圆形电流线圈产生的磁场及磁场的叠加 理解亥姆霍磁线圈产生的磁场 的特点 了解实验室产生均匀磁场的方法 以及利用霍耳元件测磁场的方法 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 亥姆霍兹线圈是由两个相同的线圈同轴放置 其中心间距等于线圈的半径 将两个线圈通以同向电流时 磁场叠加增强 并在一定区域形成近似均匀的磁场 通以反向电流时 则叠加使磁场减弱 以至出现磁场为零的区域 给霍尔元件通以恒定电流时 它会在磁场中会感应出霍尔电压 霍尔电压的 高低与霍尔元件所在处的磁感应强度成正比 因而可以用霍耳元件测量磁场 本 实验中电子屏显示的就是放大后霍尔电压的数值 它的变化规律与所在处磁场的 35 变化规律一致 亥姆霍兹线圈磁场分布曲线 四 实验内容及实验步骤四 实验内容及实验步骤 1 打开数码显示屏后面板的开关 先对 LED 显示屏调零 2 打开稳压电源 已调好 同方向闭合两电键 使两线圈通以相同方向电 流 转动小手柄 使位于线圈轴线上的霍尔元件由导轨的一端缓慢移向另一端 观察两同向载流圆线圈磁场合成后的分布 显示屏示数由小变大 中间一段基本不变 最后又由大变小 3 改变其中一个线圈的电流方向 重复 3 的操作 观察两反向载流圆线圈 磁场合成后的分布 显示屏示数由小变大 由大变小 又由小变大 由大变小 把霍耳元件移动到两个线圈的中部 可找到合磁场为零的位置 4 断开一个线圈的电流 重复 3 的操作 观察一个载流圆线圈磁场的分布 显示屏示数由小变大 又由大变小 5 实验结束 打开电键 关闭显示屏和线圈电源 36 实验十六实验十六 居里点演示仪居里点演示仪 一 实验目的一 实验目的 验证铁磁介质存在居里点 了解铁磁性与温度的关系 二 仪器装置二 仪器装置 1 居里点测试仪专用示波器 2 居里点测试仪控制器 3 铁磁材料 4 加热炉 三 实验原理三 实验原理 对于铁磁物质来讲 由于有磁畴的存在 因此在外加的交变磁场的作用上将 产生磁滞现象 磁滞回线就是磁滞现象的主要表现 如果将铁磁物质加热到一定 的温度 由于金属点阵中的热运动的加剧 磁畴遭到破坏时 铁磁物质将转变为 顺磁物质 磁滞现象消失 铁磁物质这一转变温度称为居里点 居里点测试仪就是通过观察示波管上显示的磁滞回线的存在与否来观察测 量铁磁物质的这一转变温度的 给绕在待测样品上的线圈通一交变电流 产生一 交变磁场 使铁磁物质往复磁化 样品中的磁感应强度与磁场强度的关系为磁滞 回线 37 当温度升高到居里点后 磁性材料的磁特性将消失 温度降低时磁特性又恢 复 铁磁性物质温度升高到某一点后铁磁性会完全消失 该温度值称为居里点 它反应了铁磁性与温度的关系 铁磁介质的磁滞回线 四 实验内容和实验步骤四 实验内容和实验步骤 1 将所有的连接线接好后 将铁磁材料装在加热炉里 2 打开示波器电源开关 把光点调到中心位置 3 打开居里点测试仪电源开关 示波器显示出铁磁材料的 磁滞回线曲线 把右侧开关打到 设置 调节设置温度到 75 度左右 再把开关拨到 测量 4 把升温 降温开关拨到 升温 观察仪器上两显示窗口数值的变化 感 应电动势表示磁场强度的变化 和示波器上图形的缓慢变化 5 当温度升到设置值附近时 示波器上的曲线变成一条水平线 磁性消失 把开关拨到 降温 曲线又缓慢恢复 再次观察窗口数值的变化 6 实验完毕 关掉所有电源 五 仪器操作注意事项五 仪器操作注意事项 1 不要将温度升的过高 达到居里点即可 2 加热炉温度高勿碰 38 实验十七实验十七 互感演示仪互感演示仪 一 实验目的一 实验目的 通过观察两个通电线圈间的互感现象 了解铁芯在线圈互感中的作用 了解 互感线圈间信息的传递 深入理解互感的概念和性质 二 仪器装置二 仪器装置 互感概念演示仪实物图 39 互感概念演示仪结构图 1 机箱 2 电源插座 3 电源开关 4 换向开关 5 输入插座 6 线圈 7 收录机 8 扬声器 三 实验原理三 实验原理 两个彼此邻近的回路分别通有电流 当某一个线圈中的电流发生变化时 不 仅在自身线圈中产生自感电动势 同时在邻近的另一个线圈中也产生感应电动 势 这种由于一个线圈中电流发生变化而在附近的另外一个线圈中产生感应电动 势的现象叫做互感现象 产生的感应电动势叫做互感电动势 互感概念演示仪演示两个线圈之间的相互感应与位置之间的关系及铁芯在 线圈互感中的作用 在互感概念演示中 当接通电源 打开电源开关和收录机开 关 适当调节音量 将换向开关打到一侧 这时可听到左喇叭有声音 这是收音 机自身发出的声音 将换向开关打到另一侧 这时声音停止 然后将两线圈分别 接在机箱两侧的输入插座上 并把两线圈放在同一直线上 这时可听到右喇叭有 声音 而且两线圈移近声音增大 两线圈移远则声音减小 加入铁芯后 声音可 增大几倍 而当两线圈垂直放置时 声音减小直至消失 这说明这是通过互感线 圈感应过来的声音 互感概念演示中可以随意改变线圈的相对位置和方向 观察 两个线圈的互感情况 四 实验内容和实验步骤四 实验内容和实验步骤 1 接通电源 打开电源开关和收录机开关 适当调节音量 将换向开关打 到一侧 这时可听到左喇叭有声音 这是收音机自身发出的声音 将换向开关打 到另一侧 这时声音停止 40 2 将两线圈分别接在机箱两侧的输入插座上 并把两线圈放在同一直线上 这时可听到右喇叭有声音 而且两线圈移近声音增大 移远 声音减小 加入铁 芯 声音可增大几倍 将两线圈垂直放置 声音减小 至消失 说明这是通过互 感线圈感应过来的声音 3 可以随意改变线圈的相对位置和方向 观察两个线圈的互感情况 41 实验十八实验十八 三维电子在磁场中的偏转三维电子在磁场中的偏转 一 实验目的一 实验目的 观察三维空间中电子在电磁场作用下的运动轨迹 掌握定量测定电子的荷质 比的方法 深入理解洛仑兹力及洛仑兹力公式 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 1895 年荷兰物理学家洛伦兹建立经典电子论时 提出磁场对运动点电荷有 作用力的假设 并被大量实验所证实 洛伦兹确定了这种作用力的表达式 因此 运动电荷在磁场中所受到的力被命名为洛伦兹力 洛伦兹力的大小为 f qv B 式中 q v 分别是点电荷的电量和速度 B 是点电荷所在处的磁感应强度 洛伦 兹力的方向遵循右手螺旋定则 垂直于 v 和 B 构成的平面 由于洛伦兹力始终垂 直于电荷的运动方向 所以它对电荷不作功 不改变运动电荷的速率和动能 只 42 能改变电荷的运动方向使之偏转 洛仑兹力演示仪演示了在三维磁场中电子的运 动情况 验证了洛仑兹力公式 洛伦兹力既适用于宏观电荷 也适用于微观荷电粒子 电流元在磁场中所受 安培力就是其中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现 导体回路在恒定磁场中运 动 使其中磁通量变化而产生的动生电动势也是洛伦兹力的结果 洛伦兹力是产 生动生电动势的非静电力 洛伦兹力公式和麦克斯韦方程组以及介质方程一起构 成了经典电动力学的基础 在许多科学仪器和工业设备 例如回旋加速器 谱 仪 质谱仪 粒子加速器 电子显微镜 磁镜装置 霍耳器件中 洛伦兹力都有 广泛应用 四 实验内容与操作步骤四 实验内容与操作步骤 1 将威氏管插入仪器盖板中央的管座内使威氏管位于亥氏线圈中间 2 将面板上所有旋钮反时针旋到底 接通电源预热三分钟 3 按下电表下方琴键开关 缓慢转动加速电压旋钮 调节加速极电压 当 电压超过 150V 时 电子枪锥形加速极顶端小孔处便有一束电子射出 可以看到 一束细而明亮打向玻壳的光束 4 转动激磁电流旋钮 随着激磁电流的增加 电子束的直线轨迹开始偏转 并构成一个圆或螺旋形轨迹 5 调节调制电压旋钮 使电子束处于最佳状态 转动威氏电子管 以改变 电子速度方向与磁场方向的夹角 观察各种交角下的电子运动轨迹 6 测量电子的荷质比 在电压和地之间接入 0 350V 直流电压表 在两电 流插孔间接入 3A 直流电流表 按步骤转动威氏管 使电子轨迹为一个圆 用测 高仪测两电子轨迹直径 并记录下加速电压和激磁电流数值 根据公式求出电子 荷质比 7 实验结束后 将各旋钮反时针调到底 关闭电源 43 实验十九实验十九 汤姆逊电磁铁汤姆逊电磁铁 一 实验目的一 实验目的 观察并理解温差电流的磁效应 二 仪器装置二 仪器装置 温差电磁铁的示意图如下 它由五部分组成 温差电磁铁部分 它由 U 型电磁铁铁芯 1 温差电偶 2 和衔铁 3 组成 温差电偶是由铜和康铜两种材料制成 为了在一定的温差下能够产生较大 的温差电流 温差电偶中的铜和康铜截面都比较粗 加热与冷却部分 4 是用托架支撑的酒精灯 它用来加热热电偶的一端 5 是用托架支撑的盛水的烧杯 它是用来冷却热电偶的另一端 衔铁部分 3 是通过细绳与重物相连接的温差电磁铁的衔铁部分 当电 磁铁中产生温差电流 衔铁被吸向 U 型电磁铁两极 形成闭合磁路 产生很大 的磁通 牢牢地吸住衔铁 砝码托与砝码部分 它是由砝码托 6 砝码 7 导向滑轮 8 和绳 9 组成 此部分用来显示温差电现象的大小 44 底座与支架部分 它是由底座 10 横梁 11 支柱 12 直杆 13 和托板 14 组成的 三 实验原理三 实验原理 导体中发生的热能和电能间的可逆转换现象称为温差电现象 温差电磁铁 汤姆逊电磁铁 通过温差电流的磁效应来显示温差电现象 温差电磁铁主要由 电磁铁心 温差电偶 又称热电偶 和衔铁组成 温差电偶是铜和康铜两种材料 制成的 为了在一定的温差下能够产生较大的温差电流 温差电偶中的铜和康铜 截面都比较粗 截面积约 1 平方厘米 在二者接头处分别焊接有导热铜板 一个 可插入水杯中作为冷端 另一个可用来加热作为热端 温差电偶套在电磁铁心上 铁芯会使磁效应大大增强 电磁铁的下面可扣合衔铁 衔铁与电磁铁心的接触面 密合 用酒精灯加热电磁铁的一端 并将电磁铁的另一端放入冷水槽中形成温差 产生的温差电流将产生磁效应 因此电磁铁的下面的衔铁会被吸住 在衔铁放上 砝码而衔铁不会脱落 四 实验内容与操作步骤四 实验内容与操作步骤 1 将酒精灯和盛水的烧杯分别放在左 右两支柱 12 的托板 14 上 使电磁铁弯曲部分浸入烧杯的水中 酒精灯的外层火焰接近电磁铁的水平部分 2 将砝码放在砝码托 6 上 待酒精灯加热约十五分钟后 在冷却端靠近 铜与康铜连接处放一冰块 用手上托砝码托 6 使衔铁与 U 型电磁铁两极靠近 衔铁即可被吸住 继续在砝码托上增加砝码 衔铁仍被吸住 最大可放 2 公斤的 砝码而不致拉脱衔铁板 3 演示完毕后 熄灭酒精灯 由于温差电偶的冷端和热端的温度不能很快 趋于平衡 电偶中仍有相当大的温差电流 因此衔铁仍会被紧紧吸住直至温度趋 于平衡时 才不能吸住 45 实验二十实验二十 手触电池手触电池 一 实验目的一 实验目的 了解电池的一般结构和原理 了解逸出功 理解手触电池的原理 二 仪器装置二 仪器装置 三 实验原理三 实验原理 要使金属内电子脱离金属表面的束缚所需的功 称为该金属的逸出功 不同 金属的电子逸出功不同 两种不同的金属相互接触时 逸出功小的金属将失去电 子而电位升高 逸出功大的金属将获得电子而电位降低 即两种金属之间产生接 触电势差 其大小与其电子逸出功及温度有关 手触电池就是根据不同金属具有 不同的电子逸出功制成的 设 WA WB为金属 A 与 B 的逸出功 且 WA WB 则当两金属相互接触时 它们之间将产生接触电势差 VA VB WA WB e e 为电子电量 本实验中 不同材质的金属 分别为铜板和铝板 和手接触时 两块金属板 通过人体连接时产生接触电位差 从而构成了一个等效电池 因此 整个电路就 46 有电势差 当电路闭合时 电流计就会发生偏转 表明回路中有电流 四 实验内容四 实验内容 1 双手分别触摸住一块铝板和一块铜板 观察电流计指针的偏转 2 当把铝板与铜板与电流计接线柱换接 再按 1 中操作 观察电流计指针 的偏转 3 向两手呵气 使得手稍湿润 再次按照 1 种操作 观察电流计指针的偏 转情况 并分析其原因 4 为了比较实验 两手分别触摸两块铝板时 观察电流计指针的偏转情况 并说明其原因 5 比较不同的实验者操作时电表指针的偏转幅度 47 实验二十一实验二十一 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 一 实验目的一 实验目的 了解迈克耳逊干涉仪的结构和工作原理 掌握其调整方法 调节和观察等倾 干涉 等厚干涉和非定域干涉现象 掌握测量 He Ne 激光的波长的方法 二 仪器装置二 仪器装置 改进型迈克耳逊干涉仪实物图 三 实验原理三 实验原理 迈克尔逊干涉仪是一种常用的光学仪器 是迈克尔逊在 1881 年设计成功的 迈克尔逊和莫雷应用该仪器进行了测定以太风的著名实验 后人根据此种干涉仪 研制出各种具有实用价值的干涉仪 迈克耳逊干涉仪是利用半透膜分光板的反射 和透射 把来自同一光源的光线用分振幅法分成两束相干光 以实现光的干涉的 48 一种精密光学仪器 它可以用来测量长度或长度微小变化 光波波长和透明媒质 的折射率等 迈克耳逊干涉仪基本结构图 迈克尔逊干涉仪主要由分光板 补偿板和互相垂直的两块平面反射镜组成 当两个镜子垂直时 就可以观察到等倾干涉条纹 当两个镜子互成一小角度时 就可以观察到等厚干涉条纹 对于等倾干涉条纹来说 它是一组明暗相间的同心 圆环 当两平面镜之间的距离发生变化时 可以观察到圆环条纹从中心 涌出 或 陷入 的现象 并且条纹的疏密粗细程度发生变化 每当两平面镜的距离改 变半个波长时 就会有一圆环条纹从中心 涌出 或 陷入 因此只要记录下 环形条纹 涌出 或 陷入 的个数和两面镜子改变的距离 就