物理演示实验(理论部分).doc

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引起学生的兴趣，吸引学生的注意2. 培养学生的观察能力、实验能力3. 演示实验为学生提供必要的感性知识4演示实验是归纳物理概念和规律的基础三、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 物理演示实验的基本理论1-1开设演示实验课的目的定义： 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。目的：可以使学生对所讲授的内容加深理解、巩固记忆、纠正错误概念、建立正确图像。可以激发学生观察物理现象的兴趣和培养学生分析、解决问题的能力。1-2 物理演示实验的分类单一性实验是指为配合一个物理现象、概念或一个物理定律的讲解而演示的一个单一内容的实验。例如：质心运动定律、电磁感应实验。综合性实验是指同时包含了几个物理内容、其物理现象彼此交织、相互联系的一个实验。例如：偏振、旋光、散射综合实验。组合式实验是为配合一个物理现象、概念或规律的讲解而做的题目和目的相通、内容相互补充、逐渐深化的一组实验。例如：角动量守恒组合实验。实验目的：演示在合外力矩为零的条件下，物体的角动量守恒。实验仪器：茹可夫斯基凳；直升飞机模型；车轮转台；离心节速器式演示仪；离合器式演示仪；电动式演示仪等等。设计思想：用组合式实验来验证角动量守恒定律。避免重复，由简到繁，渐进组合。选其三项：离心器式-定性说明在合外力矩为零的条件下角动量保持不变。离合器式-定量演示在合外力矩为零的条件下角动量的代数和守恒。电动式-定量说明在合外力矩为零的条件下角动量的矢量和守恒。在组合式实验中，层次分明，环环相扣，逐步深化，达到了实验目的。1-3 物理演示实验的原则1、 科学性原则：原理正确，主题突出，因果明确。2、 简便性原则：装置简单、操作简便，携带方便。3、 直观性原则：现象直观，效果明显、重复性好。4、 可见性原则：结构可见，观察范围大。5、 趣味性原则: 贴近生活，生动有趣。6. 规范性原则：操作规范，成功率高。1-4 物理演示实验的发展新内容、新技术、新仪器、新材料、先进手段：力学：气垫技术-气垫导轨、气垫平台、气垫转盘、滑轮光学：He-Ne激光-全息照相、激光通讯、衍射、光杠杆电学：高温超导、半导体集成电路、多功能示波器、光电器件多媒体：扩大观察范围、仿真（虚拟）实验1-5 课堂演示实验的做法1、充分准备 预做实验，检查仪器。仪器摆放，位置站立。步骤层次，讲做配合。预料故障，万无一失。2、周密演示 点明题目和目的，介绍仪器和装置，强调条件和方法，分析总结出结论。例1 题目：自感现象目的：演示自感现象，观察当线圈自身电流变化时要产生自感电动势，自感电动势的方向总要阻碍原来电流的变化。装置 如右图所示 通电自感：条件： 方法： 接通k，看 与是否同时亮？哪个先亮？现象： k接通瞬间，迟亮。稳定后，与同样亮。分析： k通，L中从零增大，产生阻碍增大，故迟亮。断电自感： 条件： 方法：断K, 观察的亮度变化现象：在熄灭之前，发出短暂强光分析： K断，突然减小，产生较大的，以暂时维持中的电流，由于，当流过支路时，发出短暂强光。分析结论 ：当线圈中的电流变化时，要产生自感电动势，自感电动势的方向，总是阻碍（或反抗）原来电流的变化。 3、规范操作 （天平、砝码，气垫导轨、温度计、光学元件表面、电表读数、量程选择太小，电源开关直接拔下插头）第二章 物理演示实验的方法21一般方法1.直接演示法 直接了当地演示某一物理现象和规律。例如：电荷的相互作用，电磁感应现象、扬氏双缝干涉等。2.对比演示法 利用对比的方法演示某一物理现象或规律。有的实验内容，无法直接观察，必须做对比显示，才能观察到这种现象。有的物理现象，本来可以直接演示，但为了改善演示效果或丰富实验内容，而采用对比演示法。对比形式：同时对比：例如通电自感中，与同时对比，通过看谁先亮谁后亮判断通电自感存在。先后对比：例如断电自感中，先后对比，通过暗-亮-灭的现象判断断电自感存在。复合对比：-趋肤效应。趋肤效应：在交流电路里，随着频率的增加，在均匀导体横截面上,电流分布越来越向导体表面集中，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应使导线的有效截面积减小，从而使它的等效电阻增加。困难：第一，必须使导线电阻随频率的增加有明显的增大；第二，必须能证明电阻的增大是由于电流的趋肤而不是趋心。装置：直流和交流两种电源；电源 频率计R1R2两个规格完全相同的小灯泡并联在电源上；用纯铜导线连接；用同样粗细的镀铁铜导线连接；现象接通直流电源，、一样亮，直流电阻一样大。接通交流电源，升高频率，亮度变暗；完全熄灭。复合对比的方法：的先后对比说明高频下导体有效电阻增大，有效截面积减小；与的同时对比，电流是趋肤而非趋心。3.模拟演示法 利用模型对实际系统进行实验研究的过程(通过模型实验揭示原型的运动规律的方法)。 原型是指现实世界中某一待研究的对象，模型是指与原型的某一特征相似的另一客观对象.模拟演示法具有更深刻、更集中的特点。模拟形式自然现象的实验室模拟 例如：霓虹，海市蜃楼等。微观现象的宏观模拟 例如：气体分子运动论的演示模拟（布朗运动，气体压强）大型装置的小型模拟 例如：避雷针、静电除尘小型装置的大型模拟 如：光导纤维模拟性质全同模拟 如：虹霓本质相同模拟 如：海市蜃楼、避雷针、静电除尘 动力相似模拟 如：气体分子运动论模拟演示2-2 特殊方法1.气垫法-利用空气膜将运动物体浮起，使它做近似无摩擦运动。作用：减小摩擦阻力。气垫导轨-牛顿第二定律的验证，动量守恒，简谐振动，阻尼振动等。气垫转盘，气垫滑轮，气垫平台-刚体转动定理，平行轴定律，二维碰撞等实验。2.频闪法-利用频闪仪的闪光照明来辅助显示物理现象和规律。作用：用于力学、振动和波的演示。例如:弦驻波的频闪照明演示。频闪光照明时，根据频闪照明下弦振动的视觉形象，可以观察驻波特征的各个细节，并可以确定弦驻波的振动频率。（假定为闪光频率，为弦振动的频率，为正整数）， 当与稍有不同时，将会观察到弦作“缓慢振动”的图像。看到：每一个节点两侧的质点总是向相反的方向运动，而相邻两节点间的质点总是向相同方向运动。频闪法的作用之一：“降低物体周期运动的视觉频率（实现慢动作）”以便研究其运动规律。当时，观察到的是单一“静止不动”的简谐振动波形。频闪法的作用之二，“冻结”振动物体的空间位置，以便研究其运动规律。频闪法主要用在“高速物体的闪光照相研究其运动规律”和“周期运动物体的闪光照明观察慢动作并测频率”这两种情况。例如: 哑铃式质心运动定律演示仪的闪光照相演示。3（激光）光杠杆法-把一块小平面反射镜通过某种机构连接到物体上，令He-Ne激光束入射小平面镜，经过小镜反射后投射到远处的墙壁或屏幕上，当物体的微小形变或运动带动小镜转过一个微小角度时，反射光点会偏移较大的距离，且。光杠杆主要应用在演示物体的微小形变或运动。光杠杆在物理演示实验中的主要作用就是增强实验现象，扩大观察范围。4.投影法-利用投影透镜、显微镜、投影仪将演示所呈现的物理现象投影到屏幕上来观察。例子：牛顿环纹透反互补和干涉定域的投影演示。第一个作用-观察透射式牛顿环纹。（彩色牛顿环纹；因为没有半波损失，所以中心为亮斑。干涉级次越高，条纹越密。）第二个作用-观察反射式牛顿环纹。（因为有半波损失，所以中心为暗斑。）第三种作用-演示透射与反射牛顿环纹的互补现象。（透射牛顿环的中心为亮斑，而反射牛顿环的中心为暗斑。透射牛顿环的亮纹恰好是反射牛顿环的暗纹。）第四种作用-演示牛顿环纹的定域性质。（在透射式牛顿环中，可以观察到牛顿环纹由清晰变模糊直至消失-牛顿环纹是定域干涉条纹。）通过测量像距V值，根据透镜L2的焦距f2值可以计算出物距U值，即牛顿环纹定域中心至透镜光心的距离。例：发波水盘演示水面波传播的各种现象，用以说明平面波、球面波的图像以及波干涉、衍射现象。投影法和频闪法的综合运用-照明光为可调频闪光。当频闪光的频率稍低于振子的振动频率时，则放慢了波纹的传播，便于观察。当频闪光频率等于振子的振动频率时，则波纹固定，便于讲解。当频闪光频率大于振子的振动频率时，可以显示球面波的共轭波。实验现象用单球振子，可观看圆形波纹传播。用条形振子，可观察直线形波纹传播。用双球振子，可观看两个点波源的水面波干涉。用条形振子，在振子前面加上两块挡板，可以观察水面波偏离直线传播的衍射现象。5描迹法-借助于各种记录笔描绘下物体运动的轨迹，以便仔细研究其运动规律。两种形式：直接描迹和展开描迹。直接描迹。例1 刚体平面平行运动演示仪 滑块底面带有几支毛笔，运动中可自动地用不同颜色记录下刚体上质心和非质心处的运动轨迹-直接描迹。当力的作用线通过刚体质心时，刚体上各点的运动轨迹是一系列平行直线。当力的作用线不通过刚体质心时，质心的轨迹仍是一条直线，非质心点的轨迹是旋进曲线。例2 相互垂直的简谐振动的合成两个相互垂直的简谐振动的合成轨迹是利萨如图形。“简谐振动合成仪”可以把各种情况下的合成轨迹描画下来，供仔细研究。 展开描迹 例1 沙摆 一根细绳把一个沙袋吊在空中，让其在y方向作简谐振动的同时在x方向上作匀速运动（展开）-描画出了沙摆作正弦运动的轨迹。这就是示波器的工作原理。例2 两个同向简谐振动的合成 两个同方向同频率简谐振动的合运动仍然是简谐振动，但合运动的振幅和初相位跟两个分运动的振幅和初相位有关。“简谐振动合成仪”让第一振动和第二振动同时运转，与此同时，记录纸也在匀速走动（展开），就把合成运动的轨迹记录下来了。描迹所用的记录笔是多种多样的-毛笔、彩笔，也可以是沙斗、注射器、电火花，甚至是云雾室、原子核乳胶等（用来记录、粒子的踪迹。）6示踪法 -利用各种灵活方法，显示物质的存在、运动或状态变化的踪迹。例1 阴极射线的电离示踪带电粒子在磁场中运动时要受到罗伦兹力的作用：。当与相互垂直时，带电粒子做圆周运动；如果与之间有一个夹角，则带电粒子要做螺旋线运动-电子束实验仪。电子束实验仪由一对亥姆霍兹线圈在其中部产生均匀磁场，此处放着一个球形阴极射线管。它产生具有一定速度的电子束。电子束的运动轨迹我们是看不见的。在阴极射线示波管中充有惰性气体。当运动电子与惰性气体分子碰撞时，使惰性气体分子电离发光，显示了电子束的运动轨迹-阴极射线的电离示踪。例2 阴极射线的荧光示踪阴极射线的荧光示踪-阴极射线管。加上直流高压后产生电子束。管内有一个金属板，上面涂有荧光粉。当运动电子束打在板上时会发出荧光，从而显示出阴极射线的轨迹。如果用马蹄形磁铁夹在管上，可以看到阴极射线发生弯曲-演示了运动电荷在磁场中的受力情况。描迹与示踪的区别：描迹：描绘单体（宏观的质点、刚体或微观粒子）的运动情况。示踪：显示群体（流体、微观粒子）的存在、运动踪迹。7示波法 -将电学量、磁学量和各种非电量，转换成电压的形式输入到示波器，从示波器的荧光屏上观察这些量随时间或随其他量的变化关系，并测得其大小。这种用示波器观察、测量的方法称为示波法。大屏幕、超低频、慢扫描、长余辉、双踪示波器特别适合于做课堂演示。例1 方波的频谱合成根据非正弦周期电信号的合成和分解原理可知：振幅为A圆频率为的方波可以展开为： 振幅之比为1：1/3：1/5：-圆频率为、3、5-初相位相同的一系列正弦波叠加合成为方波。用“付立叶分解合成仪”和示波器来演示。从叠加过程可以看出：基波上叠加的谐波越多，合成波形越接近于方波。叠加的谐波越多，合成方波的前沿、后沿越陡直。例2. RL、RC、RLC串联电路的暂态过程的观察。RC 电路的充放电过程RLC电路的暂态过程,例3 RC串联交流电路中电容上的电压与电流的相位关系：演示Uc落后于Ur/2。8 光电转换法-利用光电效应把光信号转换成电信号来观察或定量显示。在光电转换法中，要用到一些光电探测器件。常用的光电探测器包括：硅光电池、光电二极管、光电三极管、PIN光电二极管、光电倍增管等。例1.光通讯要实现光通信，首先要对光进行调制。凡是使光波的振幅、频率、位相三个参量中任何一个参量随外加信号而变化均称为光调制。使光的振幅变化称为调幅或调强。实验原理示意图如下图所示。灯泡的发光强度受到音频信号控制-光强是随着音频信号而变的。光经过透镜L1之后变为平行光，再经透镜L2之后聚焦在光电池上。它把光信号转换为电信号-音频信号。音频信号经过放大推动扬声器发音-音乐之声。光纤通信的模拟演示实验：在上图中把透镜L2去掉，换成模拟光纤也可以从扬声器中听到音乐之声。9 压电转换法-利用压电效应将机械形变压力转换成电信号放大观测；或者利用电致伸缩效应（逆压电效应）将交变电信号转换成机械振动。压电陶瓷元件：将直径为20mm的一个镀银陶瓷薄片和一个直径为27mm的黄铜片用环氧树脂粘合在一起，分别作为两个电极，焊上两根引线。 当音频电信号加到压电陶瓷片的两个电极上时，就会产生机械振动(电致伸缩效应)；当压电陶瓷片受到机械振动的作用时，两个电极之间就会出现电信号(压电效应)。例1 压电效应的演示-闹钟声音的放大 例2 音叉共振的演示 10电视摄像法-并非指放映演示实验的电视录像，而是用电视摄像机和电视机实时观察实验现象。这种方法经常用于光的干涉、衍射实验。观察牛顿环干涉的装置如下图所示。牛顿环的干涉花纹进入CCD摄像机成像在摄像管的光电阴极面上，将它的视频输出接到电视机的视频输入端。经过电视机放大，可以在电视机屏幕上观察到放大了的清晰的彩色条纹。