高中物理探究性实验

高中物理探究性趣味实验力学1.勤快的“啄木鸟”重力弹力能量转化啄木鸟玩具 只要你轻轻地拨一下“鸟”（使弹簧弯曲），“鸟”便会沿着杆向下“走”，并边“走”边忙着“捉虫”。①这只“鸟”究竟是怎样完成这一系列动作的呢? 关键在于“啄木鸟”的“脚”，即木球的孔径比杆的直径大1/5.当弹簧向下弯曲时,木球处在如图A所示的位置;当弹簧向上弯曲时,木球处在如图B所示的位置.在“啄木鸟”啄动期间，木球的位置不断发生转换。想一想：AB②若更换一个劲度系数大一些的弹簧，则“啄木鸟”的运动有什么变化？若更换一个质量大一些的“啄木鸟”，则它的运动又有什么变化？ 若更换一个劲度系数大一些的弹簧，则“啄木鸟”的运动频率将会变快，原因是弹簧振动的周期与弹簧的劲度系数有关，劲度系数越大，周期越短，故“啄木鸟”的运动频率将会变快。若更换一个质量大一些的“啄木鸟”，则由于弹簧的振动周期与质量的关系是质量越大，周期越长，故“啄木鸟”的运动频率将会变慢。③“啄木鸟”运动的能量是从哪里来的？你能分清“啄木鸟”的能量转化过程吗？“啄木鸟”最初振动的能量由外界输入，即先用手拨动得到了弹性势能，然后弹性势能与振动的动能不断地转化，同时“啄木鸟”将沿杆下降，下降过程中“啄木鸟”的重力势能转化为向下运动的动能，同时还有一部分又转化为“啄木鸟”振动的能量及摩擦产生的内能，因此这只“小鸟”将会有足够的能量忙个不停。2.神奇的“药丸” 将这“药丸”置于书上（不能太光滑）或其他较粗糙的、可倾斜的平面上（如图），先让你的朋友看清这是一粒很普通的药丸，然后将书倾斜，“药丸”便能从书的一端翻跟斗，一直翻到另一端。重心力矩①为什么这小“药丸”能翻跟斗呢？ 可以用重力矩知识来解释。当小“药丸”放在斜面上时，在重力的作用下，小钢珠将沿着“药丸”壁往下运动，此时“药丸”在斜面上也下滑，但由于斜面较为粗糙，故小钢珠运动速度大于“药丸”下滑的速度，小钢珠先下滑至“药丸”的底部。当小钢珠至“药丸”底部时，“药丸”在重力矩的作用下将转过180°.此时，在重力的作用下，小钢珠又将沿着“药丸”壁往下运动，原来的动作将周期性地重复出现。GG②若“药丸”底部不是一个半球面，而是一个平面，则该小玩意儿还能翻跟斗吗？ 如图所示，若“药丸”底部是一个平面，则小钢珠处在“药丸”底部时，重力的作用线一般是过支持面的，故无力矩使“药丸”翻转，因此该小玩意儿不会翻跟斗。G3.摩擦力的较量实验1： 将一把尺水平放在你的双手手指上抬着，缓慢地移动两手指，它们将总是恰好在尺的中心相遇；若将尺换成一根质量不均匀的杆，则你的两手指将总是在杆的重心位置相遇。滑动摩擦力静摩擦力

最大静摩擦力在实验1中，为何两手指总在杆的重心处相遇？这涉及到滑动摩擦力、最大静摩擦力与压力成正比的知识。在移动两手指时，若左手手指比右手手指离杆的重心较远，则左手手指上的压力小于右手手指上的压力，左手手指与杆间的摩擦力也小于右手手指与杆间的摩擦力，故左手手指先滑动。一旦左手手指比右手手指离重心较近时，左手手指与杆间的摩擦力将大于右手手指与杆间的摩擦力，左手手指将暂停滑动，而右手手指将开始滑动。如此周而复始，最终两手手指必将同时到达重心位置。【想一想】实验2： 用一根绳，在绳上系两个一大一小松开的结，缓慢地拉绳的两端，两结将同时被收紧而无先后之分。在实验2中，为何两结总是同时被收紧？原来小的结绳与绳之间的压力较大，故摩擦力也较大。若左侧的结较大，当拉绳子时，左侧结由于摩擦力较小，故将先收缩，而右侧的结由于摩擦力较大而保持原样。一旦左侧的结收缩到小于右侧的结后，该结的摩擦力将大于右侧的结，在摩擦力的作用下，该结将暂停收缩，而右侧结开始收缩。如此周而复始，最终两结将被同时收缩。【想一想】实验3： 有一根均匀的木条，甲、乙两人用手各托其一端分别向两边拉（假定两人手与木条的摩擦因数相同），一边高，一边低，看谁能获胜。在实验3中，总是低的一方获胜，为什么？当促使物体运动的外力大于最大静摩擦力时，物体将相对滑动。木条受力如图所示。G为木条重力，N甲、N乙分别是手对木条的支持力，f甲、f乙是手对木条的静摩擦力。将重力G沿木条方向和垂直于木条方向分解为Gx

、Gy

。由各力对O点力矩平衡可得，N甲=N乙。由力的平衡可得，f甲=f乙+Gx

，即f甲＞f乙。由于N甲与N乙相等，且静摩擦因数相同，故甲、乙双方的最大静摩擦力相等，而f甲＞f乙，所以一定是甲先达到最大静摩擦力而滑动，故总是位置低的一方获胜。【想一想】OGGyGxN甲N乙f乙f甲4.以一顶十先在桌上放1枚钉子，再在该钉子上方横放8枚铁钉，注意钉头和钉尾的位置要交错放，最后再在上方压1枚铁钉，该铁钉的钉头位置与第一枚钉子方向相反。用手同时拿住第一枚与最后一枚钉子，注意用这两枚钉子夹住其余钉子，再用另一枚铁钉顶住处在下面的那枚钉子中心，小心调节重心位置，最后这10枚钉子便被1枚钉子顶住了.共点力平衡力矩平衡为何这一枚钉子能顶住上方的10枚钉子呢？①研究处于倾斜状态的钉子(如图），受重力G

、下方钉子的支持力F、上方钉子的压力F1和F2的作用，这些力的合力为零，又F

、G

、F1

、F2

的合力矩也为零，故该钉子能处于平衡状态。②研究处于最上方横放的钉子，该钉子受到下方8枚钉子对它向上的支持力及向下的重力作用，这些力的合力为零，故能处于平衡状态。③研究处于最下方横放的钉子，该钉子受到上方9枚钉子对它向下的压力、向下的重力及下方钉子对它向上的支持作用，这些力的合力为零，故能处于平衡状态。④研究整体，整体的重心在支持点的下方，是一个稳定平衡。【想一想】FF1F2G5.逆风行舟用一个泡沫塑料或木料做一个帆船模型，用一根木棍插入船体作为帆船的桅杆，在桅杆上固定一片用塑料垫板做的帆，在穿过船体的木棍的下端加适当配重（例如螺帽等物），使帆船模型能稳定地浮于水中，在船尾下方固定一个小舵。整个帆船如图所示。实验时，把船的模型放在一只大水槽（水盆）的水中，用电风扇沿着一定的方向对船吹风，适当调整帆面、舵面的位置和船头的方向，使船能侧逆风而前进。平行四边形力的合成与分解三角板能够前行的原理：当用铅笔从侧前方顶压三角板的斜边时，铅笔对三角板的力可以分解为对斜边的压力N和摩擦力f（见图），我们又可以把N分解为沿直尺方向的力F1和垂直于直尺方向的压力F2。在摩擦力f比较小时，可以忽略它的影响，则F2将与直尺作用在三角板上的压力平衡，而F1将推动三角板前进。帆船侧逆风前进的理由与上例类似。

右图为俯视图，控制航向，使风从帆面MN的外侧前方吹来，风吹在帆面上的力可以分解为沿帆面的阻力F1和垂直于帆面的力F2

，F2又可以分解为沿航向和垂直于航向的力F′和F″，F″主要靠水对船体的横向阻力相平衡，而沿航向的分力F′比船体的纵向阻力（包括F1沿航向的分力）大得多，故船可以沿航向向前航行。

由上可知，帆船能侧逆风前进。为了达到顶风的目的地，帆船必须不断改变航向，走“之”字形，并不断改变帆的方位，如图所示。

6.气垫盘匀速直线运动牛顿第一定律气垫技术是利用高压空气的支撑力使运载工具升离水面或地面的方法。注意：①圆盘平面要平整光滑，桌面或平板玻璃也一定要擦拭干净。②喷气孔要适中，过小，喷气量小，不能使圆盘浮起，影响运动；过大，喷气太快，减少演示时间，且使圆盘不稳定。气球

中间有空的盘气球7.巧用鸡蛋的物理实验实验1：液体蒸发吸热 把刚煮熟的蛋从锅内捞起来，直接用手拿时，虽然较烫，但还可以忍受。过一会儿，当蛋壳上的水膜干了后，感到比刚捞上时更烫了。【原理】

因为刚捞上来的蛋壳上附着一层水膜，开始时，水膜蒸发吸热，使蛋壳的温度下降，所以并不觉得很烫。经过一段时间，水膜蒸发完毕。由蛋内部传递出的热量使蛋壳的温度重新升高，所以感到更烫手。惯性力的合成与分解伯努力方程实验2：热胀冷缩的性质【实验】

把煮熟捞起的蛋立刻浸入冷水中，待完全冷却后，再捞起剥落。【原理】

首先，蛋刚浸入冷水中，蛋壳直接遇冷收缩，而蛋白温度下降不大，收缩也较小，这时主要表现为蛋壳在收缩。其次，由于不同物质热胀冷缩性质的差异性，当整个蛋都完全冷却时，组织疏松的蛋白收缩率比蛋壳大，收缩程度更明显，造成蛋白蛋壳相互脱离，剥蛋壳就更方便了。实验3：验证大气压存在【实验】

选一只口径略小于鸡蛋的瓶子，在瓶底热上一层沙子。先点燃一团酒精棉投入瓶内，接着把一只去壳鸡蛋的小头端朝下堵住瓶口。火焰熄灭后，蛋被瓶子缓缓“吞”入瓶肚中。【原理】

酒精棉燃烧使瓶内气体受热膨胀，部分气体被排出。当蛋堵住瓶口，火焰熄灭后，瓶内气体由于温度下降，压强变小，低于瓶外的大气压。在大气压作用下，有一定弹性的鸡蛋被压入瓶内。实验4：浮沉现象【实验】

把一只去壳鸡蛋，浸没在一只装有清水的大口径玻璃杯中。松开手后，发现鸡蛋缓缓沉入杯底。捞出鸡蛋往清水中加入食盐，调制成浓度较高的盐溶液。再把鸡蛋浸没在盐溶液中，松开手后，鸡蛋却缓缓上浮。【原理】

物体浮沉情况取决于所受的重力和浮力的大小关系。浸没在液体中的物体体积就是它所排开液体的体积，根据阿基米德原理可知物体密度与液体密度的大小关系可以对应表示重力与浮力的大小关系。因为蛋的密度略微比清水的密度大，当蛋浸入清水中时，所受重力大于浮力，所以蛋将下沉。当浸没在盐水中时，由于盐水密度比蛋的密度大，所受的重力小于浮力，所以蛋将上浮。实验5：惯性、摩擦阻力现象【实验】

选用外形相似的生鸡蛋、熟鸡蛋各一只，放在水平桌面上。用相同的力使它们在原处旋转。能迅速旋转的是熟鸡蛋，缓慢旋转几圈就停止的是生鸡蛋。【原理】

生鸡蛋的壳内是液状的蛋清，外力作用在蛋壳上旋转时，蛋清由于惯性，继续保持静止状态，则它与蛋壳间存在摩擦阻力作用，使整个蛋只能缓慢转动。而熟鸡蛋内蛋清已凝固成蛋白，外力作用时旋转时，整个蛋就能迅速转动。【类似实验】【实验】

待鸡蛋转动一段时间之后，突然按停鸡蛋，并立即放开手。如果放开手不再转动，即为熟蛋；反之，如果放开手后能自动再转几下，则为生蛋。【实验】

把生蛋和熟蛋各用网线挂起来，把两只蛋各扭转相同的次数后，一同放开，熟蛋要较长的时间才能停下来。生蛋只来回扭转三五次就停下来了。实验6：惯性实验【实验】

用手指突然弹击硬纸片，鸡蛋却不会随纸片一起飞出。【原理】

硬纸片虽然被弹出去，但鸡蛋由于惯性还要保持原来的静止状态。所以鸡蛋不会随纸片一起飞出，鸡蛋会落入杯中。实验7：物体的稳定平衡【实验】

选用一只生鸡蛋，在小头一端开个孔并清除干净壳内的蛋清蛋黄。沿小孔滑入一块重物。以蛋壳的大头端为底部，扶好蛋壳。点燃一只蜡烛，滴入烛油，把重物封存在蛋壳底部。烛油大约封存至整个蛋壳高度的四分之一即可。把制好的蛋壳推倒后，蛋壳能自动立起。制成一个“不倒翁”。【原理】

在空蛋壳的底端封存的重物和烛油，使整个蛋体的重心移近蛋壳的底部，重心起低，稳定性越好。当蛋壳倾斜，偏离平衡位置时，使蛋体的重心升高。因为蛋壳底端是球形的，在蛋体的自身重力作用下，蛋体又恢复到原来的平衡位置上。实验8：分子运动现象【实验】

外壳完好的蛋，埋入食盐中腌制一段时间，可以制成一只咸蛋。虽然蛋壳仍然完好，但连内部的蛋黄都变咸了。【原理】

因为物质的分子间存在间隙，而且分子不停地做无规则运动，所以食盐分子扩散到蛋黄中，使蛋黄也变咸。实验9：瓦碎蛋全【实验】

在桌子上摊一块海绵，在海绵上放4个鸡蛋，在鸡蛋上再放一块海绵，海绵上放一块木板，在木板上摞三四块砖，再在砖上放一块瓦片。用锤子猛地敲击瓦片，瓦片被击碎，而下面的鸡蛋却安然无恙。这个实验与杂技中的肚上砸石、头顶开砖等有异曲同工之处。【原理】

根据动量定理，鸡蛋和砖块得到相同的动量变化量，但是由于作用时间的不同，鸡蛋和砖块受到不同的冲击力，从而产生不同的作用效果，这种效果的物理现象就是砖碎，而蛋全。

实验10：立鸡蛋【实验】

在我国的某些地方有一个立鸡蛋的传统，据说在立春时节谁能把鸡蛋立起来，谁在这一年将幸福、平安。按照物理学的观点，只要鸡蛋的重心通过鸡蛋与桌面的接触面，鸡蛋将会处于平衡，只不过这种平衡属于不稳平衡。若用放大镜观看蛋壳，会发现蛋壳并不是完美的曲线，而是凸凹不平的。通过测量，鸡蛋的凸点之间的距离约为0.15～0.18mm，只要有足够的耐心，不管鸡蛋是生的还是熟的，也不管鸡蛋的大头或者小头在下面，你都可以把鸡蛋立起来。 如果把鸡蛋放在水中，你会发现鸡蛋一般总是大头在上面，不论你怎样放置，松手后总是一样。这是为什么?这也是平衡问题，在水中除了重力外，鸡蛋还受到浮力。与重力有一作用点重心一样，浮力也有一作用点称为浮心，当浮心高于重心时，鸡蛋处于稳定平衡。由于鸡蛋的气泡一般在大头处，所以大头一般在上面。实验11：握鸡蛋【实验】

用力握鸡蛋，只要用力均匀，一般很难把鸡蛋握烂。但是刚出生的小鸡却不费力地破壳而出，原因是什么呢?【原理】

除了由于小鸡的嘴较尖，与蛋壳的接触面小之外，还在于蛋壳的弧形结构。我们在捏一个鸡蛋的时候，手的扛杆力平均分散到了鸡蛋的各个地方，不足以把它捏碎，因为拱形是最稳定的形状。人们利用这一原理造出了拱桥，尽管它看起来比较单薄，但是车水马龙从它身上辗过，它巍然不动，例如赵州桥，它在那里站了几千年，将多少人马渡过对岸，俯身凝望滚滚河水流向远方。人们还利用这一原理建造了拱门，设计了汽车、飞机和安全帽盔等。8.做相反运动的球加速度向心力牛顿第二定律【实验1】

找两个瓶子，内盛水，一个小铁球、一个与小铁球体积相同的小泡沫塑料球、一根细绳。将它们系好，小铁球在水中下沉，瓶正放（图甲），泡沫塑料球在水中上浮，瓶倒放（图乙）。当瓶突然向前运动时，观察比较球的运动状态。你看到的现象也许会令你惊讶，小铁球的运动正如你所想的一样，相对瓶来说是向后运动的，而泡沫塑料球相对瓶来说是向前运动的，如图。【实验2】

找一个试管或其他瓶子，内装有一些钢珠和相同体积的塑料珠。在瓶内装水，在瓶口处固定一绳子，手拿绳子的一端让管子在水平方向转动起来（如图），一会儿你就发现，钢珠和塑料珠已分离，钢珠在瓶底，而塑料珠在瓶口处。9.超重和失重【实验1】

如图所示，找两个相同的小沙漏，放在托盘天平的两个托盘上。调节天平。使两托盘平衡。当把左边的一只沙漏倒置后立即放在天平上，在细沙流下的过程中，观察现象。自由落体运动变速直线运动超重和失重【实验2】①在钩码静止时，按图示方向粘贴纸条AB、CD；②当手提细绳竖直向上加速运动时，纸条AB断裂；（演示超重）③当手提细绳竖直向下加速运动时，纸条CD断裂。（演示失重）【实验3】①手握木条的一端，另一端加挂钩码，悬停空中；②增挂钩码个数，至木条折断；③手握另一相同木条一端，另一端挂好钩码（n-1），悬停空中；④手举木条加速上移，木条折断。【实验4】①饮料瓶静悬空中和匀速上下移动时，均有水从小孔流出；②饮料瓶从高处自由落下，无水流出；③饮料瓶竖直上抛，无水流出。【实验5】①手握玻璃瓶静止或匀速上下移动，看到平常所见的火焰；②手托玻璃瓶竖直加速下落时看到火焰变成椭圆形。【实验6】①一只手将纸条一端紧按在桌面上，纸条另一端压在重物与吊盘间，另一只手提着盘的吊绳缓慢下降，纸条拉紧后断裂。②一只手将另一条相同纸条紧按在桌面上，纸条另一端压在重物与吊盘间，松开吊绳，重物与吊盘自由下落，纸条完好无损。【实验7】①介绍实验装置；②当箱体向上加速或向下减速时左灯亮；③当箱体向上减速或向下加速时右灯亮。【实验8】 如图所示，找一个金属罐，在其底部固定一个钩(或打一个孔)，将两根橡皮筋的一端固定在这个钩上(或穿过孔打一个结)，橡皮筋的另一端各挂一个较重的物体，如摆球、大铁螺母等，将其搁在金属罐口的外边缘上，使之可以被橡皮筋拉入罐内，金属罐口上系绳子，可使金属罐加速上升或自由下落。 演示时，使金属罐自由下落，由于重物失重，它将在橡皮筋拉力的作用下，被拉入金属罐中，并可听到重物撞击金属罐的响声。若将两重物拉下一些，参阅图，使橡皮筋在金属罐外的长度增加一些，再使金属罐加速上升(或通过定滑轮拖动)，由于重物超重，橡皮筋将被拉长，重物相对于金属罐要下降一些，超重显见。【实验9】 如图所示，在一个微小压强计的金属盒的橡皮膜上放一个橡皮塞，这时因橡皮膜受压，U形压强计液柱高度发生变化，打开压强计三通阀(或橡皮管夹子)，使压强计液面相平，然后关闭阀门。

演示时，手托金属盒使其加速上升或加速下降，可以看到压强计两液柱的高度差发生明显差异，不同的液柱差，可说明橡皮塞的“超重和失重”现象。【实验10】 选一个尽量深一点量筒，倒人满刻度的水，在量筒外扎紧一根铁丝，以作为支架。支架上用细线挂一个重物(如小摆球、螺母等)，重物正好完全没入量筒水中，将这一量筒放在天平左盘上，调节天平平衡。演示时，烧断悬线，这时重物便以较小的加速度竖直下落，可观察到由于重物加速下落，放重物一侧向上翘起，“失重”现象显见。【实验11】 将手电筒竖直向上放置，打开开关，旋松后盖使小电珠恰能点亮。实验时手持电筒，保持它在竖直方向，突然向上运动，你会看到小电珠熄灭。 如果使上述电筒的后盖稍许再旋松一点，直至小电珠刚刚熄灭，然后手持手电筒突然向下运动，小电珠就会点亮。【实验12】 取100毫升的塑料药水瓶和装眼药水的小塑料瓶各一只，用大号缝衣针在两瓶靠近底面的两侧戳孔。再取15厘米左右的细橡皮管一段，将其两端接在两个瓶塞的接管上，使两瓶口连通起来，并将它们用橡皮筋固定在一窄木板上，如图3所示。 ①实验时先在大瓶中装水近满，然后再连通橡皮管，手持木板竖直放置，使大瓶在上，水流入到小瓶中，由于水位较高，水从小瓶两侧的孔中喷出。如果此时使木板维持竖立状态自由下落，水还会喷出来吗？请你试一试，再解释现象。 ②如果将上述木板倒置过来，使大瓶在下，如图4，由于水位变低及表面张力的作用，水不从大瓶孔中流出。若手持木板向上做加速运动，水会流出吗，也请你试一试，并说明原因。10.弹力球与冲量用“弹力球”做冲量实玩具“弹力球”是直径约5cm的弹性透明球，球内装有触发电路，当该球受到足够大的冲量时，球内电路便被触发引起闪光（见图）。演示时让该球从一定高度分别落到硬地板上和松软物体上，当球落到硬地板上时，小球受到较大的冲量，球内便闪闪发光。当球落到松软物体上时，小球受到的冲量较小，球则不亮。该实验也能由动量定理加以解释。由于该球制作精美、闪光醒目，能引起学生极大的兴趣。动量动量定理11.谁吹得远？找几根饮料吸管（或其他的塑料吸管），取一牙签（若两端均为尖端，则切去一尖端），将牙签放人管中，用嘴对准管口吹气（见图），牙签将从吸管的另一端飞出。该实验令人感兴趣的是吸管越长则牙签飞得越远。原因是吹气所用的力一定时，管越长，则牙签的受力（F）作用时间（t）越长。由Ft=△p可知，牙签的动量变化就越大，故飞出时牙签的速度也越大，飞得也越远。事实上这与长枪比短枪射程远的原因是相同的。该实验可在上动量定理这一课时演示。若吸管不够长，可将两至三根吸管接成较长的管子，接的方法是剪一段约2