物理演示实验(理论部分)

物理演示实验绪论物理演示实验绪论 一 关于物理学 物理学是人类在探索大自然现象及其规律过程中形成 以实验为 基础的一门科学 物理学研究宇宙间一切物质的基本形式 性质和运动规律 研究 物质之间的相互作用与转化 各种物质形态的内部结构等 物理学的各分支学科是按物质的存在形式或运动规律而划分的 物质的不同存在形式及不同运动规律之间存在着联系 各分支学科之 间互相渗透 物理学是各分支学科既相对独立又彼此密切联系的统一 整体 17世纪 人们已经了解宏观物质机械运动的基本规律 19世纪末 物理学建立了包括力学 热学 电磁学和光学等学科在 内的完整的基本理论体系 即经典物理学 20世纪初 人们相继建立了相对论和量子力学 在此基础上发展 起来的物理学通常称为近代物理学 按照研究对象的不同尺度和结构层次 当今的物理学也划分为天 体物理学 凝聚态物理学 原子分子物理学 核物理学和粒子物理学 等 许多重要的基本问题尚待解决 如强 弱 电磁 引力四种基本相 互作用力的统一 暗物质和暗能量之谜等有可能对物理学产生革命性 影响的问题 以及复杂体系和极端条件下物质的新效应 当前物理学基础研究的三个重要方向是 物质深层次微观结构和 运动的基本规律 宇宙大尺度结构及运动的基本规律 凝聚态物质和 复杂系统的内部结构 内部运动的基本规律及宏观量子效应 物理学的基本原理渗透在自然科学的各个领域 应用于技术科学 的各个方面 是技术科学的基础和先导 物理学深刻影响人类的思维 方式和对世界的基本认识 所体现的科学的世界观和方法论 形成人 类文明的一个重要组成部分 数学是物理学研究的基本工具之一 物理学理论通常以数学形式 表达 然而物理学定律的正确性只能由反复的严格的物理实验来检验 物理学的发展也进一步推动了数学的发展 长期以来 物理学的发展推动了化学 生命科学 地学 天文学等 基础学科的发展 例如 物理学对原子 分子的量子规律的揭示 为化 学奠定了微观理论基础 物理学原理和技术的发展使化学和生命科学 等学科的实验研究手段产生了根本的变化 17世纪的力学 18 19世纪的热学 19世纪的电磁理论以及20世纪 量子力学和相对论的建立 都直接地推动了机械 电力 能源 材料 信息等技术学科的建立和发展 并导致了工业革命和信息革命 物理学的许多前沿研究都有其明确的应用前景 例如 核聚变 激 光 高温超导 巨磁电阻 介观物理 纳米 功能材料 量子信息等 它 们已经或可能继续在能源 信息 计算机 生命和材料等许多领域孕 育新的发展 二 关于物理演示实验二 关于物理演示实验 物理演示实验一般是指密切配合物理课堂教学内容由教师操作 让学生观察的实验 演示实验是把物理现象直观地向学生展示的过程 它是学生最集 中地获得物理现象的主要来源 同时演示实验在培养学生观察 实验 能力 提高学生学习物理的兴趣等各方面都起着十分重要的作用 具 体来说 它的教学作用体现在以下几个方面 1 引起学生的引起学生的兴兴趣 吸引学生的注意趣 吸引学生的注意 2 培养学生的培养学生的观观察能力 察能力 实验实验能力能力 3 演示演示实验为实验为学生提供必要的感性知学生提供必要的感性知识识 4 演示演示实验实验是是归纳归纳物理概念和物理概念和规规律的基律的基础础 三 教学形式三 教学形式 物理演示实验这门课采取与以往不同的教学形式 科学探究 即让 学生经历像科学家研究自然现象那样的探索过程 经历一些科学探究活动 初步了解物理学的特点和研究方法 体会物 理学在生活和生产中的应用以及对社会发展的影响 学习科学探究方法 发展自主学习能力 养成良好的思维习惯 能运 用物理知识和科学探究方法解决一些问题 经历科学探究过程 认识科学探究的意义 尝试应用科学探究的方法 研究物理问题 验证物理规律 物理学是一门以实验为基础的自然科学 在高中物理课程各个模块中 都安排了一些典型的科学探究或物理实验 应该使学生在科学探究和 物理实验中达到以下要求 科学探究要素对科学探究及物理实验能力的基本要求 提出问题 能发现与物理学有关的问题 从物理学的角度较明确地表述这些问题 认识发现问题和提出问题的意义 猜想与假设 对解决问题的方式和问题的答案提出假设 对物理实验结果进行预测 认识猜想与假设的重要性 制定计划与设计实验 知道实验目的和已有条件 制定实验方案 尝试选择实验方法及所需要的装置与器材 考虑实验的变量及其控制方法 认识制定计划的作用 进行实验与收集证据 用多种方式收集数据 按说明书进行实验操作 会使用基本的实验仪器 如实记录实验数据 知道重复收集实验数据的意义 具有安全操作的意识 认识科学收集实验数据的重要性 分析与论证 对实验数据进行分析处理 尝试根据实验现象和数据得出结论 对实验结果进行解释和描述 认识在实验中进行分析论证是很重要的 评估 尝试分析假设与实验结果间的差异 注意探究活动中未解决的矛盾 发现新的问题 吸取经验教训 改进探究方案 认识评估的意义 交流与合作 能写出实验探究报告 在合作中注意既坚持原则又尊重他人 有合作精神 认识交流与合作的重要性 第一章第一章 物理演示实验的基本理论物理演示实验的基本理论 1 11 1 开设演示实验课的目的开设演示实验课的目的 定定义义 物理演示物理演示实验实验一般是指密切配合物理一般是指密切配合物理课课堂教学内容堂教学内容 由教由教师师操作操作让让学生学生观观察的察的实验实验 目的 可以使学生目的 可以使学生对对所所讲讲授的内容加深理解 巩固授的内容加深理解 巩固记忆记忆 纠纠 正正错误错误概念 建立正确概念 建立正确图图像 像 可以激可以激发发学生学生观观察物理察物理现现象的象的兴兴趣和培养学生分析 趣和培养学生分析 解决解决问题问题的能力 的能力 1 21 2 物理演示实验的分类物理演示实验的分类 单单一性一性实验实验是指是指为为配合一个物理配合一个物理现现象 概念或一个物理定律象 概念或一个物理定律 的的讲讲解而演示的一个解而演示的一个单单一内容的一内容的实验实验 例如 例如 质质心运心运动动定律 定律 电电磁感磁感应实验应实验 综综合性合性实验实验是指同是指同时时包含了几个物理内容 其物理包含了几个物理内容 其物理现现象彼此象彼此 交交织织 相互 相互联联系的一个系的一个实验实验 例如 偏振 旋光 散射例如 偏振 旋光 散射综综合合实验实验 组组合式合式实验实验是是为为配合一个物理配合一个物理现现象 概念或象 概念或规规律的律的讲讲解而做解而做 的的题题目和目的相通 内容相互目和目的相通 内容相互补补充 逐充 逐渐渐深化的一深化的一组实验组实验 例如 角例如 角动动量守恒量守恒组组合合实验实验 实实验验目目的的 演演示示在在合合外外力力矩矩为为零零的的条条件件下下 物物体体的的角角动动量量守守恒恒 实实验验仪仪器器 茹茹可可夫夫斯斯基基凳凳 直直升升飞飞机机模模型型 车车轮轮转转台台 离离心心节节速速器器式式演演 示示仪仪 离离合合器器式式演演示示仪仪 电电动动式式演演示示仪仪等等等等 设设计计思思想想 用用组组合合式式实实验验来来验验证证角角动动量量守守恒恒定定律律 避避免免重重复复 由由简简到到繁繁 渐渐进进组组合合 选其三项 离离心心器器式式 定定性性说说明明在在合合外外力力矩矩为为零零的的条条件件下下角角动动量量保保持持不不变变 离离合合器器式式 定定量量演演示示在在合合外外力力矩矩为为零零的的条条件件下下角角动动量量的的代代数数和和守守恒恒 电电动动式式 定定量量说说明明在在合合外外力力矩矩为为零零的的条条件件下下角角动动量量的的矢矢量量和和守守恒恒 在在组组合式合式实验实验中中 层层次次分分明明 环环环环相相扣扣 逐逐步步深深化化 达到了达到了实验实验目的 目的 1 31 3 物理演示实验的原则物理演示实验的原则 1 科学性原科学性原则则 原理正确 主 原理正确 主题题突出 因果明确突出 因果明确 2 简简便性原便性原则则 装置 装置简单简单 操作 操作简简便 携便 携带带方便方便 3 直直观观性原性原则则 现现象直象直观观 效果明 效果明显显 重复性好 重复性好 4 可可见见性原性原则则 结结构可构可见见 观观察范察范围围大大 5 趣味性原趣味性原则则 贴贴近生活 生近生活 生动动有趣 有趣 6 规规范性原范性原则则 操作 操作规规范 成功率高 范 成功率高 1 41 4 物理演示实验的发展物理演示实验的发展 新内容 新技新内容 新技术术 新 新仪仪器 新材料 先器 新材料 先进进手段 手段 力学 气力学 气垫垫技技术术 气气垫导轨垫导轨 气 气垫垫平台 气平台 气垫转盘垫转盘 滑 滑轮轮 光学 光学 He Ne 激光激光 全息照相 激光通全息照相 激光通讯讯 衍射 光杠杆 衍射 光杠杆 电电学 学 高温超高温超导导 半 半导导体集成体集成电电路 多功能示波器 光路 多功能示波器 光电电器件器件 多媒体 多媒体 扩扩大大观观察范察范围围 仿真 虚 仿真 虚拟拟 实验实验 1 51 5 课堂演示实验的做法课堂演示实验的做法 1 充分准 充分准备备 预预做做实验实验 检查仪检查仪器 器 仪仪器器摆摆放 位置站立 放 位置站立 步步骤层骤层次 次 讲讲做配合 做配合 预预料故障 万无一失 料故障 万无一失 2 周密演示 周密演示 点明点明题题目和目的 介目和目的 介绍仪绍仪器和装置 器和装置 强调强调条条 件和方法 分析件和方法 分析总结总结出出结论结论 例例 1 题题目 自感目 自感现现象象 目的 演示自感目的 演示自感现现象 象 观观察当察当线线圈自身圈自身电电流流变变化化时时要要产产生自感生自感电电 动势动势 自感 自感电动势电动势 的方向的方向总总要阻碍要阻碍 原来原来电电流的流的变变化 化 装置装置 如右如右图图所示所示 通通电电自感 自感 条件 条件 21 II 方法 方法 接通接通 k 看 看 与与是否同是否同时时亮 哪个先亮 亮 哪个先亮 1 R 2 R 现现象 象 k 接通瞬接通瞬间间 迟迟亮 亮 稳稳定后 定后 与与同同样样亮 亮 2 R 1 R 2 R 分析分析 k 通 通 L 中中从零增大 从零增大 产产生生阻碍阻碍增大 故增大 故迟迟亮 亮 2 I i 2 I 2 R 断断电电自感 自感 条件 条件 12 II 方法 方法 断断K K 观察观察的亮度变化的亮度变化 1 R 现现象 象 在熄灭之前 发出短暂强光在熄灭之前 发出短暂强光 1 R 分析 分析 K 断 断 突然减小 突然减小 产产生生较较大的大的 以 以暂时维暂时维持持中的中的电电流流 2 I i 1 R 由于 由于 当 当流流过过支路支路时时 发发出短出短暂强暂强光 光 2 I 12 II 2 I 1 R 1 R 分析分析结论结论 当 当线线圈中的圈中的电电流流变变化化时时 要 要产产生自感生自感电动势电动势 自感 自感电电 动势动势的方向 的方向 总总是阻碍 或反抗 原来是阻碍 或反抗 原来电电流的流的变变化 化 3 规规范操作范操作 天平 砝 天平 砝码码 气 气垫导轨垫导轨 温度 温度计计 光学元件表 光学元件表 面 面 电电表表读读数 量程数 量程选择选择太小 太小 电电源开关直接拔下插源开关直接拔下插头头 第二章第二章 物理演示实验的方法物理演示实验的方法 2 1 一般方法一般方法 1 直接演示法直接演示法 直接了当地演示某一物理直接了当地演示某一物理现现象和象和规规律 律 例如 例如 电电荷的相互作用 荷的相互作用 电电磁感磁感应现应现象 象 扬扬氏双氏双缝缝干涉等干涉等 2 对对比演示法比演示法 利用利用对对比的方法演示某一物理比的方法演示某一物理现现象或象或规规律 律 有的有的实验实验内容 无法直接内容 无法直接观观察 必察 必须须做做对对比比显显示 才能示 才能观观察察 到到这这种种现现象 象 有的物理有的物理现现象 本来可以直接演示 但象 本来可以直接演示 但为为了改善演示效果或了改善演示效果或 丰富丰富实验实验内容 而采用内容 而采用对对比演示法 比演示法 对对比形式比形式 同同时对时对比比 例如通例如通电电自感中 自感中 与与同同时对时对比 通比 通过过看看谁谁先亮先亮谁谁 1 R 2 R 后亮判断通后亮判断通电电自感存在 自感存在 先后先后对对比 例如断比 例如断电电自感中 自感中 先后先后对对比 通比 通过过暗暗 亮亮 灭灭的的现现 1 R 1 R 象判断断象判断断电电自感存在 自感存在 复合复合对对比 比 趋趋肤效肤效应应 趋趋肤效肤效应应 在交流 在交流电电路里 随着路里 随着频频率的增加 在均匀率的增加 在均匀导导体横截面上体横截面上 电电流流 分布越来越向分布越来越向导导体表面集中 体表面集中 这这种种现现象称象称为趋为趋肤效肤效应应 趋趋肤效肤效应应使使导线导线的有效截面的有效截面积积减小 从而使它的等效减小 从而使它的等效电电阻增加 阻增加 困困难难 第一 第一 必必须须使使导线电导线电阻随阻随频频率的增加有明率的增加有明显显的增大 的增大 电源 频率计 R1R2 第二 必第二 必须须能能证证明明电电阻的增大是由于阻的增大是由于电电流的流的趋趋肤而不是肤而不是趋趋心 心 装置装置 直流和交流两种直流和交流两种电电源 源 两个两个规规格完全相同的格完全相同的 小灯泡并小灯泡并联联在在电电源上 源上 用用纯铜导线连纯铜导线连接 接 2 R 用同用同样样粗粗细细的的镀铁镀铁 1 R 铜导线连铜导线连接 接 现象现象 接通直流接通直流电电源 源 一一样样亮 亮 1 R 2 R 直流直流电电阻一阻一样样大 大 接通交流接通交流电电源 升高源 升高频频率 率 亮度亮度变变暗 暗 完全熄完全熄灭灭 2 R 1 R 复合复合对对比的方法 比的方法 的先后的先后对对比比说说明高明高频频下下导导体有效体有效电电阻增大 阻增大 1 R 有效截面有效截面积积减小 减小 与与的同的同时对时对比 比 电电流是流是趋趋肤而非肤而非趋趋心 心 1 R 2 R 3 模模拟拟演示法演示法 利用模型利用模型对实际对实际系系统进统进行行实验实验研究的研究的过过程程 通通过过 模型模型实验实验揭示原型的运揭示原型的运动规动规律的方法律的方法 原型是指原型是指现实现实世界中某一待研究的世界中某一待研究的对对象 模型是指与原型的象 模型是指与原型的 某一特征相似的另一客某一特征相似的另一客观对观对象象 模模拟拟演示法具有更深刻 更集中演示法具有更深刻 更集中 的特点 的特点 模模拟拟形式形式 自然自然现现象的象的实验实验室模室模拟拟 例如 霓虹 海市蜃楼等 例如 霓虹 海市蜃楼等 微微观现观现象的宏象的宏观观模模拟拟 例如 气体分子运例如 气体分子运动论动论的演示模的演示模拟拟 布朗运 布朗运动动 气体 气体压强压强 大型装置的小型模大型装置的小型模拟拟 例如 避雷例如 避雷针针 静 静电电除除尘尘 小型装置的大型模小型装置的大型模拟拟 如 光如 光导纤维导纤维 模模拟拟性性质质 全同模全同模拟拟 如 虹霓如 虹霓 本本质质相同模相同模拟拟 如 海市蜃楼 避雷如 海市蜃楼 避雷针针 静 静电电除除尘尘 动动力相似模力相似模拟拟 如 气体分子运如 气体分子运动论动论模模拟拟演示演示 2 22 2 特殊方法特殊方法 1 气气垫垫法法 利用空气膜将运利用空气膜将运动动物体浮起 使它做近似无摩擦运物体浮起 使它做近似无摩擦运动动 作用 减小摩擦阻力 作用 减小摩擦阻力 气气垫垫导导轨轨 牛牛顿顿第第二二定定律律的的验验证证 动动量量守守恒恒 简简谐谐振振动动 阻阻尼尼振振动动等等 气气垫垫转转盘盘 气气垫垫滑滑轮轮 气气垫垫平平台台 刚刚体体转转动动定定理理 平平行行轴轴定定律律 二二维维碰碰 撞撞等等实验实验 2 频闪频闪法法 利用利用频闪仪频闪仪的的闪闪光照明来光照明来辅辅助助显显示物理示物理现现象和象和规规律 律 作用 用于力学 振作用 用于力学 振动动和波的演示 和波的演示 例如例如 弦弦驻驻波的波的频闪频闪照明演示 照明演示 频闪频闪光照明光照明时时 根据 根据频闪频闪照明下弦振照明下弦振动动的的视觉视觉形象 可以形象 可以观观 察察驻驻波特征的各个波特征的各个细节细节 并可以确定弦 并可以确定弦驻驻波的振波的振动频动频率 率 假定 假定为闪为闪光光频频率 率 为为弦振弦振动动的的频频率 率 为为正整数 正整数 f 0 fn 当当与与稍有不同稍有不同时时 将会 将会观观察到弦作察到弦作 缓缓慢振慢振动动 的的图图像 像 f 0 f 看到 每一个看到 每一个节节点两点两侧侧的的质质点点总总是向相反的方向运是向相反的方向运动动 而相 而相 邻邻两两节节点点间间的的质质点点总总是向相同方向运是向相同方向运动动 频闪频闪法的作用之一 法的作用之一 降低物体周期运降低物体周期运动动的的视觉频视觉频率 率 实现实现 慢慢动动作 作 以便研究其运以便研究其运动规动规律 律 当当时时 观观察到的是察到的是单单一一 静止不静止不动动 的的简谐简谐振振动动波波 n f f 0 形 形 频闪频闪法的作用之二 法的作用之二 冻结冻结 振振动动物体的空物体的空间间位置 以便研究其位置 以便研究其 运运动规动规律 律 频闪频闪法主要用在法主要用在 高速物体的高速物体的闪闪光照相研究其运光照相研究其运动规动规律律 和和 周期运周期运动动物体的物体的闪闪光照明光照明观观察慢察慢动动作并作并测频测频率率 这这两种情况 两种情况 例如例如 哑铃哑铃式式质质心运心运动动定律演示定律演示仪仪的的闪闪光照相演示 光照相演示 3 激光 光杠杆法 激光 光杠杆法 把一把一块块小平面反射小平面反射镜镜通通过过某种机构某种机构连连接到物接到物 体上 令体上 令 He Ne 激光束入射小平面激光束入射小平面镜镜 经过经过小小镜镜反射后投射到反射后投射到远远 处处的的墙墙壁或屏幕上 当物体的微小形壁或屏幕上 当物体的微小形变变或运或运动带动动带动小小镜转过镜转过一个一个 微小角度微小角度 时时 反射光点会偏移 反射光点会偏移较较大的距离大的距离 且 且 L DL2 光杠杆主要光杠杆主要 应应用在演示用在演示 物体的微小物体的微小 形形变变或运或运动动 光杠杆在物光杠杆在物 理演示理演示实验实验 中的主要作中的主要作 用就是增用就是增强强 实验现实验现象 象 扩扩大大观观 察范察范围围 4 投影法投影法 利用投影透利用投影透镜镜 显显微微镜镜 投影 投影仪仪将演示所呈将演示所呈现现的物理的物理 现现象投影到屏幕上来象投影到屏幕上来观观察 察 例子 牛例子 牛顿环纹顿环纹透反互透反互补补和干涉定域的投影演示 和干涉定域的投影演示 第一个作用第一个作用 观观察透射式牛察透射式牛顿环纹顿环纹 彩色牛 彩色牛顿环纹顿环纹 因 因为为没有没有 半波半波损损失 所以中心失 所以中心为为亮斑 干涉亮斑 干涉级级次越高 条次越高 条纹纹越密 越密 第二个作用第二个作用 观观察反射式牛察反射式牛顿环纹顿环纹 因 因为为有半波有半波损损失 所以中失 所以中 心心为为暗斑 暗斑 第三种作用第三种作用 演示透射与反射牛演示透射与反射牛顿环纹顿环纹的互的互补现补现象 象 透射牛 透射牛 顿环顿环的中心的中心为为亮斑 而反射牛亮斑 而反射牛顿环顿环的中心的中心为为暗斑 透射牛暗斑 透射牛顿环顿环的的 亮亮纹纹恰好是反射牛恰好是反射牛顿环顿环的暗的暗纹纹 第四种作用第四种作用 演示牛演示牛顿环纹顿环纹的定域性的定域性质质 在透射式牛 在透射式牛顿环顿环中 中 可以可以观观察到牛察到牛顿环纹顿环纹由清晰由清晰变变模糊直至消失模糊直至消失 牛牛顿环纹顿环纹是定域是定域 干涉条干涉条纹纹 通通过测过测量像距量像距 V 值值 根据透 根据透镜镜 L2 的焦距的焦距 f2 值值可以可以计计算出物算出物 距距 U 值值 即牛 即牛顿环纹顿环纹定域中心至透定域中心至透镜镜光心的距离 光心的距离 例 发波水盘发波水盘 演示水面波演示水面波传传播的各种播的各种现现象 用以象 用以说说明平面波 球面波的明平面波 球面波的图图 像以及波干涉 衍射像以及波干涉 衍射现现象 象 投影法和投影法和频闪频闪法的法的综综合运用合运用 照明光照明光为为可可调频闪调频闪光光 当当频闪频闪光的光的频频率稍低于振子的振率稍低于振子的振动频动频率率时时 则则放慢了波放慢了波纹纹 的的传传播 便于播 便于观观察 察 当当频闪频闪光光频频率等于振子的振率等于振子的振动频动频率率时时 则则波波纹纹固定 便于固定 便于讲讲 解 解 当当频闪频闪光光频频率大于振子的振率大于振子的振动频动频率率时时 可以 可以显显示球面波的示球面波的 共共轭轭波 波 实验现实验现象象 用用单单球振子 可球振子 可观观看看圆圆形波形波纹传纹传播 播 用条形振子 可用条形振子 可观观察直察直线线形波形波纹传纹传播 播 用双球振子 可用双球振子 可观观看两个点波源的水面波干涉 看两个点波源的水面波干涉 用条形振子 在振子前面加上两用条形振子 在振子前面加上两块挡块挡板 可以板 可以观观察水面波察水面波 偏离直偏离直线传线传播的衍射播的衍射现现象 象 5 描描迹迹法法 借助于各种借助于各种记录记录笔描笔描绘绘下物体运下物体运动动的的轨轨迹 以便仔迹 以便仔细细 研究其运研究其运动规动规律 律 两种形式 直接描迹和展开描迹 两种形式 直接描迹和展开描迹 直接描迹 直接描迹 例 1 刚刚体平面平行运体平面平行运动动演示演示仪仪 滑滑块块底面底面带带有几支毛笔 运有几支毛笔 运动动中可自中可自动动地用不同地用不同颜颜色色记录记录下下 刚刚体上体上质质心和非心和非质质心心处处的运的运动轨动轨迹迹 直接描迹 直接描迹 当力的作用当力的作用线线通通过刚过刚体体质质心心时时 刚刚体上各点的运体上各点的运动轨动轨迹是一迹是一 系列平行直系列平行直线线 当力的作用当力的作用线线不通不通过刚过刚体体质质心心时时 质质心的心的轨轨迹仍是一条直迹仍是一条直线线 非非质质心点的心点的轨轨迹是旋迹是旋进进曲曲线线 例 2 相互垂直的相互垂直的简谐简谐振振动动的合成的合成 两个相互垂直的两个相互垂直的简谐简谐振振动动的合成的合成轨轨迹是利迹是利萨萨如如图图形 形 简谐简谐振振 动动合成合成仪仪 可以把各种情况下的合成可以把各种情况下的合成轨轨迹描画下来 供仔迹描画下来 供仔细细研究 研究 展开描迹展开描迹 例 1 沙沙摆摆 一根一根细绳细绳把一个沙袋吊在空中 把一个沙袋吊在空中 让让其在其在 y 方向作方向作简谐简谐振振动动 的同的同时时在在 x 方向上作匀速运方向上作匀速运动动 展开 展开 描画出了沙描画出了沙摆摆作正弦运作正弦运 动动的的轨轨迹 迹 这这就是示波器的工作原理 就是示波器的工作原理 例 2两个同向两个同向简谐简谐振振动动的合成的合成 两个同方向同两个同方向同频频率率简谐简谐振振动动的合运的合运动动仍然是仍然是简谐简谐振振动动 但 但 合运合运动动的振幅和初相位跟两个分运的振幅和初相位跟两个分运动动的振幅和初相位有关 的振幅和初相位有关 简谐简谐 振振动动合成合成仪仪 让让第一振第一振动动和第二振和第二振动动同同时时运运转转 与此同 与此同时时 记录记录 纸纸也在匀速走也在匀速走动动 展开 就把合成运 展开 就把合成运动动的的轨轨迹迹记录记录下来了 下来了 描迹所用的描迹所用的记录记录笔是多种多笔是多种多样样的的 毛笔 彩笔 也可以是沙毛笔 彩笔 也可以是沙 斗 注射器 斗 注射器 电电火花 甚至是云火花 甚至是云雾雾室 原子核乳胶等 用来室 原子核乳胶等 用来记录记录 粒子的踪迹 粒子的踪迹 6 示踪法 示踪法 利用各种灵活方法 利用各种灵活方法 显显示物示物质质的存在 运的存在 运动动或状或状态态 变变化的踪迹 化的踪迹 例 1 阴极射阴极射线线的的电电离示踪离示踪 带电带电粒子在磁粒子在磁场场中运中运动时动时要受到要受到罗伦兹罗伦兹力的作用 力的作用 BVeF 当当与与相互垂直相互垂直时时 带电带电粒子做粒子做圆圆周运周运动动 如果 如果与与之之间间有一有一V B V B 个个夹夹角角 则带电则带电粒子要做螺旋粒子要做螺旋线线运运动动 电电子束子束实验仪实验仪 电电子束子束实验仪实验仪由一由一对对亥姆霍亥姆霍兹线兹线圈在其中部圈在其中部产产生均匀磁生均匀磁场场 此此处处放着一个球形阴极射放着一个球形阴极射线线管 它管 它产产生具有一定速度的生具有一定速度的电电子束 子束 电电子束的运子束的运动轨动轨迹我迹我们们是看不是看不见见的 在阴极射的 在阴极射线线示波管中充有惰示波管中充有惰 性气体 当运性气体 当运动电动电子与惰性气体分子碰撞子与惰性气体分子碰撞时时 使惰性气体分子 使惰性气体分子电电 离离发发光 光 显显示了示了电电子束的运子束的运动轨动轨迹迹 阴极射阴极射线线的的电电离示踪 离示踪 例 2 阴极射阴极射线线的的荧荧光示踪光示踪 阴极射阴极射线线的的荧荧光示踪光示踪 阴极射阴极射线线管 加上直流高管 加上直流高压压后后产产生生电电 子束 管内有一个金属板 上面涂有子束 管内有一个金属板 上面涂有荧荧光粉 当运光粉 当运动电动电子束打在子束打在 板上板上时时会会发发出出荧荧光 从而光 从而显显示出阴极射示出阴极射线线的的轨轨迹 如果用迹 如果用马马蹄形蹄形 磁磁铁夹铁夹在管上 可以看到阴极射在管上 可以看到阴极射线发线发生弯曲生弯曲 演示了运演示了运动电动电荷荷 在磁在磁场场中的受力情况 中的受力情况 描迹与示踪的区描迹与示踪的区别别 描迹 描描迹 描绘单绘单体 宏体 宏观观的的质质点 点 刚刚体或微体或微观观粒子 的运粒子 的运动动情况 情况 示踪 示踪 显显示群体 流体 微示群体 流体 微观观粒子 的存在 运粒子 的存在 运动动踪迹 踪迹 7 示波法 将将电电学量 磁学量和各种非学量 磁学量和各种非电电量 量 转换转换成成电压电压的形式的形式 输输入到示波器 从示波器的入到示波器 从示波器的荧荧光屏上光屏上观观察察这这些量随些量随时间时间或随其他或随其他 量的量的变变化关系 并化关系 并测测得其大小 得其大小 这这种用示波器种用示波器观观察 察 测测量的方法量的方法 称称为为示波法 示波法 大大屏屏幕幕 超超低低频频 慢慢扫扫描描 长长余余辉辉 双双踪踪示示波波器器特特别别适适合合于于做做课课堂堂演演示示 例 1 方波的方波的频谱频谱合成合成 根据非正弦周期根据非正弦周期电电信号的合成和分解原理可知 振幅信号的合成和分解原理可知 振幅为为 A 圆频圆频率率为为 的方波可以展开的方波可以展开为为 5sin 5 1 3sin 3 1 sin 4 ttt A tf 振幅之比振幅之比为为 1 1 3 1 5 圆频圆频率率为为 3 5 初相位相同初相位相同 的一系列正弦波叠加合成的一系列正弦波叠加合成为为方波方波 tf 用用 付立叶分解合成付立叶分解合成仪仪 和示波器来演示 和示波器来演示 从从叠叠加加过过程程可可以以看看出出 基基波波上上叠叠加加的的谐谐波波越越多多 合合成成波波形形越越接接近近于于方方波波 叠叠加加的的谐谐波波越越多多 合合成成方方波波的的前前沿沿 后后沿沿越越陡陡直直 例 2 R RL L R RC C R RL LC C串串联联电电路路的的暂暂态态过过程程 的的观观察察 RC 电电路路的的充充放放电电过过程程 RLC电电路路的的暂暂态态过过程程 例 3 R RC C串串联联交交流流电电路路中中电电容容上上的的电电压压与与电电流流的的相相位位关关系系 演示演示 Uc 落后于落后于 Ur 2 8 光光电转换电转换法法 利用光利用光电电效效应应把光信号把光信号转换转换成成电电信号来信号来观观察或察或 定量定量显显示示 在在光光电电转转换换法法中中 要要用用到到一一些些光光电电探探测测器器件件 常常用用的的光光电电探探测测器器包包括括 硅硅光