力学演示实验研究

1、力学演示实验仪器的认识与使用力学演示实验仪器的认识与使用 1.1.微小形变（物体形变演示仪）微小形变（物体形变演示仪） 实验时做的实验是微小形变的观察，用打火机给铁丝加热，由于铁丝的热涨 性，铁丝变长，与铁丝相连的指针发生变化，通过杠杠原理放大形变，当停止加 热时，恢复原状。 图中是为了验证物体的热胀冷缩的性质。 但由于只是微小的形变很难用肉眼 来观察，所以用了放大的原理来观察。图式，待测发生形变的钢丝与一条长板相 连指向另一边刻度尺的原点，若钢丝发生微小的形变，则在另一边的刻度尺上， 木板的移动应该较大。这样，通过观察木板所指刻度的变化来判断钢铁是否发生 形变。用火烧金属丝，由于热胀冷缩，金属丝会膨胀，发生形变，用竖直的直尺 观察不是很明显，实验仪器利用一个红色指针，将竖直方向上的形变放大，在右 侧的斜杆上看清楚形变量。 使物体发生形变是力的作用效果之一。 不过一般来说使物体发生的形变比较 小，不容易观察，演示实验时需要做的是将这些形变放大，便于观察。将形变放 大， 可以使用挤压带细管的玻璃瓶来实现， 同时， 也可以使用光放大法进行观察， 这里不做赘述。 演示这个实验时，教给学生的不

2、仅仅是实验方法和操作，更多的是一种实演示这个实验时，教给学生的不仅仅是实验方法和操作，更多的是一种实 验理念，即放大实验现象的理念，并且指导学生探索放大实验现象的方法和手验理念，即放大实验现象的理念，并且指导学生探索放大实验现象的方法和手 段，引导学生将这种实验方法用于物理学别的实验中去。段，引导学生将这种实验方法用于物理学别的实验中去。 形变放大光放大法 2.2.自由落体（牛顿管，又称为毛线管）自由落体（牛顿管，又称为毛线管） 毛钱管，又称牛顿管。是一根长 120cm，一段封闭，另一端带有气嘴的金属 盖封住的玻璃管。一般在研究自由落体运动时会用到。 把形状、质量都不同的羽毛、软木塞、金属片放置到毛钱管里。把毛钱管倒 立过来，可以看到，这些物体下落最快的是金属片，最慢的是羽毛。尽量地抽去 毛钱管里的空气，再看这些物体下落，发现它们下落的快慢大致是相同的。因此 可以得出推论：如果完全没有空气阻力时，不同物体下落的速度将会完全相同。 【教学内容】【教学内容】自由落体 3.3.惯性演示仪惯性演示仪 牛顿管牛顿管 一个金属球自由的放在支架上，有一块小铁片垫在金属球的下方，旁边是一 个金属板，通

3、过冲量可以使金属片射出。本实验主要观察的是金属球的运动应该 是怎样的， 是静止在原地还是随同金属片飞出。 实验的结果是金属球静止在原地， 此实验说明了物体具有保持原有的运动状态的性质，叫做惯性。 惯性是物体的固有属性，一切物体都具有惯性。惯性大小的唯一量度是物体 的质量，物体的质量大，惯性就越大。惯性与物体是否受力、怎样受力无关、与 物体是否运动、怎样运动无关，与物体所处的地理位置无关。 惯性的表现形式：物体的惯性总是保持“原状”或“反抗改变”两种形式表 现出来的。 （1）物体在不受外力或所受的合外力为零时，惯性表现为使物体保持原来的运 动状态不变（静止或匀速直线运动） 。 （2）物体受到外力时，惯性表现为运动状态改变的难易程度。惯性大，物体运 动状态难以改变；惯性小，物体运动状态容易改变。 【教学内容】【教学内容】惯性 4.4.重心、力的合成分解演示仪重心、力的合成分解演示仪 4.14.1 旋转椎体旋转椎体“不倒翁不倒翁”实验【重心类实验】实验【重心类实验】 这是一个和重心知识相关的实验。实验装置上下两部份是分开的，上部分是 一个尖端椎体左右各用支杆连接两颗金属球， 下部分是一个顶部

4、为平面的柱体结 构。 实验时，将椎体的尖端放在平台上旋转，无论放在平台的任何地方，上半 部分结构总是能够保持平衡旋转状态，只是不同支点时，旋转的平衡倾斜程度不 同。 因为该仪器时经过严格计算过的重心在针尖方向的系统，当仪器摆放在底端 时，只要其重心的位置没有发生改变，无论怎样旋转，仪器都不会发生偏转或者 掉下来。这就是证明了物体可以看成是质量集中在重心的质点。 物理学上的平衡有三种：不稳定平衡、稳定平衡、随遇平衡。简单地来说判 断三种平衡的方法是：若任何微小的运动都能使其重心降低的物体，一定处于不 稳定平衡状态；若任何微小的运动都能使其重心升高的物体，一定处于稳定平衡 状态；若任何微小的运动，既不能将其重心提高，亦不能使其重心降低之物体， 一定处于随遇平衡状态之下。 上图实验仪器演示的 “不倒翁” 处于的平衡是稳定平衡， 因为其重心比较低， 任何微小的扰动都将使其重心上升。因此，无论怎样拨动不倒翁都不会倒，前提 是拨动不能太大。 4.24.2 力的合成分解演示仪力的合成分解演示仪 力是一种矢量，力的合成与分解满足平行四边形定则，如图所示，根据两个 力的大小和方向可以确定其合力的大小和方

5、向。 演示仪上面有力的大小和方向的 量度。 力的合成和分解是中学生认识力的重要知识点。在演示实验时，可以表明力 的大小和方向，给学生以可视化的实验，伴随讲解，帮助学生更好的理解力的合 成和分解。 力的合成分解演示器可以很直观的演示出力的合成和分解的过程，其中，中 垂线上的力为合力，通过两个钩码施加的力为两个分力。实验时，用悬线和适量 钩码，使得中垂线上的力等于通过两个滑轮施加的力，改变两个滑轮的位置，便 可观察到两个分力的大小发生变化。同时，也可以先通过滑轮施力，再通过中垂 线上的力进行平衡，便可演示力的合成。演示实验时，需要提醒学生观察，在分 力成不同的角度时，合力的变化。 【教学内容】【教学内容】力的合成与分解 5.5.反冲运动演示仪反冲运动演示仪 5.15.1 实验一实验一 反冲运动：根据动量守恒定律，如果一个静止的物体在 内力的作用下分裂 成两个部分，一部分向某个方向运动，另一部分必然向相反的方向运动。这个现 象叫做反冲。反冲运动中，物体受到的反冲作用通常叫做反冲力。 反冲运动的特点： 反冲运动和碰撞、 爆炸有相似之处， 相互作用力常为变力， 且作用力大， 一般都都满足内力外力

6、， 所以反冲运动可用动量守恒定律来处理。 （1）反冲运动的问题中，有时遇到的速度是相作用的两物体间的相对速度，这 是应将相对速度转化成对地的速度后，在列动量守恒的方程。 （2）在反冲运动中还常遇到变质量物体的运动，如火箭在运动过程中，随着燃 料的消耗火箭本身的质量不断在减小， 此时必须取火箭本身和在相互作用时的整 个过程来进行研究 实验操作： 如图， 向漏半形容器中注入水， 可看到在喷出水流的反冲作用下， 漏斗形容器向相反方向转动。如果不断地注入水，保持注水量和出水量相等，转 动可持续下去。 【教学内容】【教学内容】动量守恒定律、作用力与反作用力 5.25.2 实验二实验二 牛顿第三定律讲述了作用力与反作用力的相互关系。 以上实验通过两辆小车 （装有小风扇） 、挡板（实心板、镂空板）来观察分析探究认识作用力与反作用 力之间的相互关系。 作用力与反作用力之间的相互关系有：两个力等大、反向、共线，在两个不 同的物体上，以及同时产生同时消失。 【教学内容】【教学内容】作用力与反作用力 6.6.稳度（平衡态稳度（平衡态） 、分子力、表面张力、离心现象等、分子力、表面张力、离心现象等 6.16.

7、1 稳度（平衡态）稳度（平衡态） 【仪器介绍【仪器介绍】上图是一个“不倒翁” ，利用物体的重心使整个仪器处于平衡状态。 当仪器开始转动的时候，物体的重心始终保持在针尖的上端，且重心没有偏移， 转动的时候，上端的圆锥体只是在支撑点的上方转动、摆动，并没有使其重心发 生偏移，也就可以达到不倒翁的效果。 【原理【原理】面上物体的稳定程度叫做稳度。物体在某方向的稳度与物体重心高度有 关，与物体在这一方向的翻转半径有关，稳度具有方向性。 实验表明，物体在支持面上受到扰动，过物体重心的重垂线与支持面的交点只要 还在边缘接触点所围成的支面内，就不会翻倒，一旦这一交点移出支面，就会失 去平衡而翻倒。物体质量分布不一定均匀，物体与支持面接触点所围面不一定是 圆面，把物体（可能）绕着翻倒的底部边缘点（线）叫翻转点（线） ，把过物体 重心的重垂线与水平支持面（倾斜支持面在过翻转点的水平面上的投影面）的交 点称做重稳心，如图，把重稳心到翻转点（线）的距离叫翻转半径，对一般物体 而言，在重心高度一定、支面大小一定时，向不同方向翻倒的难易程度不同，稳 度具有方向性， 这样就应将稳度定义为支持面上物体在某一方向的稳

8、定程度叫做 它在这一方向的稳度。物体在某方向的稳度与物体重心高度有关，与物体在这一 方向的翻转半径有关。 【教学内容】【教学内容】平衡态 6.26.2 分子力分子力 【仪器介绍】【仪器介绍】如图实验仪器，可以演示液体分子之间的作用力。 将如图所示的正方体金属框架放到肥皂水中浸泡一段时间， 轻轻提起金属框 架， 便可在框架上看到一层如图所示的薄膜。造成这种薄膜的原因就是液体分子 间存在吸引力，液体之间的吸引力将各个分子吸引到一起，中间的引力大于四周 的引力，便可形成如图所示的实验现象。 【原理【原理】分子力又称分子间作用力、范得瓦耳斯力，是指分子间的相互作用。当 二分子相距较远时，主要表现为吸引力，这种力主要来源于一个分子被另一个分 子随时间迅速变化的电偶极矩所极化而引起的相互作用；当二分子非常接近时， 则排斥力成为主要的， 这是由于各分子的外层电子云开始重叠而产生的排斥作用。 【教材内容】【教材内容】分子间相互作用 6.36.3 表面张力表面张力 【仪器介绍【仪器介绍】 用细钢筋制成各种形状的模型，将模型在肥皂水中浸过之后拿出可 以发现肥皂沫会在立方体的模型上形成以立方体几何中心为顶点

9、的四棱锥， 经过 理论验证这是表面积最小的存在状态， 可以证明由于表面张力的作用会让液面收 缩到表面积最小的状态。另外，在肥皂水中浸过的钢筋环会在表面形成肥皂膜， 当用手指轻轻地将一边戳破， 会发现绳子会由于表面张力的作用而向另外一边移 去，这可以形象直观地展示表面张力的作用方向。 【原理】【原理】 表面张力是液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相 互作用的拉力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。比较 液体内的分子 A 和液面分子 B 的受力情况。 以分子力的有效力程为半径作以分子 A 为中心的球面（图 1），则所有对分子 A 有作用的分子都在球面之内。选取一 段较长的时间 T（是分子两次碰撞之间的平均时间），由于对称，在这段时间内， 各个分子对 A 的作用力的合力等于零。 以分子 B 为中心的球面中的一部分在液体 当中，另一部分在液面之外，这部分分子密度远小于液体部分的分子密度。如果 忽略这部分分子对 B 的作用，则由于对称，CC和 DD之间所有分子作用力的合 力等于零；对 B 有效的作用力是由球面内 DD以下的全体分子产生的向下合力。 由于处在边界内的每个分子都受到指向液体内部的合力， 所以这些分子都有向 液体内部下降的趋势，同时分子与分子之间还有侧面的吸引力，即有尽量收缩表 面的趋势。 这种情况使流体的表面好象蒙在一个表面积比它大的固体外面的弹性 薄膜。 【教学内容】【教学内容】表面张力现象 影响表面张力大小的因素 6.46.4 离心现象离心现象 【仪器介绍【仪器介绍】 如上图所示的是仿造洗衣机甩干桶的原理制成的。 用一个大的皮带 轮带动一个小轮，可以使得小轮高速旋转， 带动轮上的框旋转。将棉花浸湿， 放到框中，使得棉花跟着框仪器高速旋转，便可观察到棉花中的水被甩出来，这 就是存在离心力的结果。 【原理【原理】离心现象是做圆周运动的物体，在所受向心力突然消失，或者不足以提 供圆周运动所需的向心力的情况下，产生的逐渐远离圆心移动的物理现象。 【教学内容】【教学内容】离心现象 离心力 7.7.多功能水波实验仪（多功能水波实验仪（FD-WPBFD-WPB） 【仪器介绍【仪器介绍】 通过调节振动器的频率和振幅达到波的衍射和干涉的条件。 利用水 波实验仪可观察如下现象：1.波的传播速度调节；2.波的反射；3

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