探索性實驗(二)

探索性實驗（二）山東交通學(xué)院物理實驗中心孫海波2014年10月大學(xué)物理實驗（2）1探索性實驗二內(nèi)容龍卷風(fēng)科里奧利力回轉(zhuǎn)儀演示多普勒效應(yīng)角動量守恒演示角速度矢量合成機翼壓差實驗風(fēng)洞實驗電磁阻尼擺納米磁液輝光球熱磁輪演示巴克豪森效應(yīng)演示窺視無窮夢幻時鐘光線傳像束透射光柵變換畫互補色圖像

同自己握手你我換臉會飛的碗2探索性實驗要求課前預(yù)習(xí)：通過圖書館和網(wǎng)絡(luò)資源了解演示實驗內(nèi)容。課堂要求：對每個演示實驗現(xiàn)象都應(yīng)認真觀察，切記老師講解的注意事項，嚴禁破環(huán)儀器。實驗報告書寫要求：（1）自己選擇感興趣的實驗，深入理解其原理，進行實驗分析，解答思考題，可以通過上網(wǎng)查找資料和視頻。（2）盡可能多的查找相關(guān)的實驗和應(yīng)用，進行總結(jié)分析比較，報告中要指出資料的出處。寫出自己實驗體會。（3）實驗報告請撰寫到原始數(shù)據(jù)紙上，內(nèi)容不要過于簡單，要求4頁紙以上。3（1）龍卷風(fēng)4（1）龍卷風(fēng)5（1）龍卷風(fēng)6（1）龍卷風(fēng)7【實驗?zāi)康摹?、了解龍卷風(fēng)自然災(zāi)害現(xiàn)象。2、學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)知識。3、探究龍卷風(fēng)產(chǎn)生的原因?！緦嶒瀮x器】（1）龍卷風(fēng)8【實驗原理】

龍卷風(fēng)實際上是一種小范圍的劇烈旋轉(zhuǎn)的空氣渦流。在地面或者水面，由于太陽強烈照射而劇烈升溫，空氣受熱膨脹，密度變得比上方的空氣小，從而向上升。上升時絕熱冷卻，在降溫或水蒸氣自動凝結(jié)的外部條件下，促使高濕度空氣的水分子凝聚，空氣的壓強會急劇下降，形成了相對于周圍空間的大氣負壓，這時，周圍的空氣就會立刻進行補充。由于負壓往往是從低溫度的高空開始形成的，因而也就形成了自下而上，且周圍向中心旋轉(zhuǎn)的空氣大漩渦，這就是龍卷風(fēng)。（1）龍卷風(fēng)9【實驗原理】

在地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力的作用下，北半球的龍卷風(fēng)是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，南半球的是順時針方向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。龍卷風(fēng)的形成需要三個條件：濕潤的空氣，在不穩(wěn)定的空氣中形成塔雨云，高空風(fēng)必須與低空風(fēng)方向相反。三個條件滿足后，產(chǎn)生切變。將上升的空氣移走，可能形成龍卷風(fēng)。

（1）龍卷風(fēng)10【實驗內(nèi)容】在霧化器里里加入適量的水。將電源線接好，打開開關(guān)。儀器上面的排氣扇開始排氣，立柱的風(fēng)扇工作，立柱上的小孔有氣流排出。試驗結(jié)束后，把霧化器里的水倒掉。（1）龍卷風(fēng)11【注意事項】時間長了要注意定時注水，保持水位，以觀察口能看到最低水面為準(zhǔn)；實驗結(jié)束后，要清理干凈霧化器里的水，否則時間一長，里面的水會結(jié)垢，影響水霧的發(fā)生量。注意經(jīng)常通風(fēng)，以防止其他物品受潮。如果需要移動，不要提起四根支撐柱，可以橫向拉動。（1）龍卷風(fēng)12【思考題】這里產(chǎn)生的龍卷風(fēng)與自然界的龍卷風(fēng)有什么不同？為什么風(fēng)扇停止時龍卷風(fēng)就整個塌陷？你看過龍卷風(fēng)嗎？龍卷風(fēng)有哪些危害，總結(jié)歸納一下。赤道不會出現(xiàn)龍卷風(fēng)嗎？

（1）龍卷風(fēng)13【實驗?zāi)康摹?/p>

利用演示儀演示科里奧利力的存在【實驗儀器】（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示14（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗原理】

科里奧利力是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性。在旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點，由于慣性，有沿著原有運動方向繼續(xù)運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時間的運動之后，體系中質(zhì)點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。15（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗原理】

當(dāng)一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。從物理學(xué)的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是在慣性系中真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內(nèi)的體現(xiàn)，同時也是在慣性參考系中引入的慣性力，方便計算。16（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗原理】

當(dāng)小球在一作轉(zhuǎn)動的圓盤上運動時，以盤為參照系，會受到慣性力。其中一部分是與小球的相對速度有關(guān)的橫向慣性力稱為科里奧利力，其表達式為：

17（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗現(xiàn)象】科里奧利力視頻演示1科里奧利力視頻演示218（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗拓展】

人們利用科里奧利力的原理設(shè)計了一些儀器進行測量和運動控制。質(zhì)量流量計讓被測量的流體通過一個轉(zhuǎn)動或者振動中的測量管，流體在管道中的流動相當(dāng)于直線運動，測量管的轉(zhuǎn)動或振動會產(chǎn)生一個角速度，由于轉(zhuǎn)動或振動是受到外加電磁場驅(qū)動的，有著固定的頻率，因而流體在管道中受到的科里奧利力僅與其質(zhì)量和運動速度有關(guān)，而質(zhì)量和運動速度即流速的乘積就是需要測量的質(zhì)量流量，因而通過測量流體在管道中受到的科里奧利力，便可以測量其質(zhì)量流量。19（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示20（2）科里奧利力（Coriolisforce）演示【實驗拓展】

陀螺儀旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀會對各種形式的直線運動產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進行運動的測量與控制。21【實驗?zāi)康摹?、演示回轉(zhuǎn)儀保持其轉(zhuǎn)軸方向不變的特性。2、演示進動現(xiàn)象?！緦嶒瀮x器】（3）回轉(zhuǎn)儀演示22【實驗原理】

基本原理：剛體所受合外力矩為零時，動量矩守恒，剛體便在慣性支配下轉(zhuǎn)動，其動量矩的大小和軸的方向?qū)⒈３植蛔儭；剞D(zhuǎn)儀是利用物體高速轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)軸方向不變的特性制成的。如果沒有外力矩作用，轉(zhuǎn)軸方向恒保持不變，即使支架發(fā)生轉(zhuǎn)動或其他變化，都不影響轉(zhuǎn)軸方向。（3）回轉(zhuǎn)儀演示23【實驗原理】

均質(zhì)的回轉(zhuǎn)儀繞其幾何對稱軸高速轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)儀的轉(zhuǎn)動軸可以相對支架的方位充分自由的選擇，而回轉(zhuǎn)儀僅受軸承與空氣阻力矩的作用。由于軸承光滑，在不太長的時間內(nèi)，阻力的沖量矩和回轉(zhuǎn)儀的角動量相比是很小的，可近似認為角動量守恒，矢量方向不變表現(xiàn)為轉(zhuǎn)軸方向不變，大小不變表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)儀的恒定角速率轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)儀有保持自轉(zhuǎn)軸方向恒定的特性，被用于飛機航空地平儀，船舶的穩(wěn)定器和回轉(zhuǎn)羅盤等，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。（3）回轉(zhuǎn)儀演示24【實驗操作與現(xiàn)象】首先調(diào)節(jié)平衡體與回轉(zhuǎn)儀部分平衡，用手轉(zhuǎn)動圓環(huán)，使其快速轉(zhuǎn)動，此時若轉(zhuǎn)動底座，回轉(zhuǎn)儀將保持其軸向不變。調(diào)節(jié)平衡體使橫桿一頭稍重，即施一力矩于回轉(zhuǎn)儀上，一手扶住圓環(huán)使橫桿保持水平，如上述方法使轉(zhuǎn)輪迅速轉(zhuǎn)動，松手后橫桿并不傾斜，而將在水平方向上轉(zhuǎn)動，即產(chǎn)生進動現(xiàn)象。（3）回轉(zhuǎn)儀演示25【注意事項】

由于平衡體較重，操作時一定要旋緊螺釘，防止轉(zhuǎn)動時脫出傷人?！緦嶒炈伎肌?/p>

為什么低速旋轉(zhuǎn)不出現(xiàn)回轉(zhuǎn)儀的定軸現(xiàn)象？（3）回轉(zhuǎn)儀演示26【實驗?zāi)康摹?/p>

通過演示多普勒效應(yīng)，進一步理解其原理?！緦嶒瀮x器】（4）多普勒效應(yīng)27【實驗原理】

演示視頻1

演示視頻2

演示視頻3

多普勒效應(yīng)模擬動畫（4）多普勒效應(yīng)28【實驗拓展】----------多普勒效應(yīng)應(yīng)用1、醫(yī)學(xué)應(yīng)用聲波的多普勒效應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是我們平常說的彩超。超聲多普勒法診斷心臟過程是這樣的：超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號，激勵發(fā)射換能器探頭，產(chǎn)生連續(xù)不斷的超聲波，向人體心血管器官發(fā)射，便產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，當(dāng)超聲波束遇到運動的臟器和血管時，反射信號就為換能器所接受，就可以根據(jù)反射波與發(fā)射的頻率差異求出血流速度，根據(jù)反射波以頻率是增大還是減小判定血流方向。彩超的臨床應(yīng)用：血管疾病、腹腔臟器、小器官、前列腺及精囊、婦產(chǎn)科。（4）多普勒效應(yīng)29【實驗拓展】----------多普勒效應(yīng)應(yīng)用2、交通應(yīng)用交通警向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測速儀的監(jiān)視器有時就裝在路的上方，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印。3、航空應(yīng)用

2014年3月8日馬航MH370失聯(lián)，17天后，馬來西亞總理24日晚臨時召開新聞發(fā)布會宣布：“根據(jù)最新數(shù)據(jù)，MH370航班在印度洋南部終結(jié)。”參與失聯(lián)航班調(diào)查的國際海事衛(wèi)星組織副總裁麥克洛克林解釋說，他們運用多普勒效應(yīng)理論，結(jié)合其他參考因素，在大量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上給出了MH370的最終走向。（4）多普勒效應(yīng)30【實驗引入】直升飛機起飛視頻無尾翼直升飛機模型起飛視頻【問題思考】直升飛機尾翼的作用？（5）角動量守恒演示31【實驗?zāi)康摹?、掌握和理解角動量守恒原理，了解直升機尾翼的作用。

2、了解轉(zhuǎn)動力矩平衡的原理。【實驗儀器】

控制器直升飛機模型（5）角動量守恒演示32【實驗原理】基本知識：轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動慣性的量度，轉(zhuǎn)動慣量的大小反映了剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)改變的難易程度。剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量為其中為質(zhì)量元繞軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動半徑。其對定軸的角動量為根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動守恒定律，當(dāng)系統(tǒng)受到合外力矩為零時，系統(tǒng)的角動量守恒，即則繞定軸轉(zhuǎn)動的剛體，當(dāng)對轉(zhuǎn)軸的合外力矩為零時，剛體對轉(zhuǎn)軸的角動量守恒。由幾個剛體組成一個定軸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，只要整個系統(tǒng)所受合外力對軸的力矩矢量和為零，系統(tǒng)的總角動量也守恒。（5）角動量守恒演示33（5）角動量守恒演示【實驗原理】

直升飛機原理：直升機是一個由主螺旋槳與機身組成的二體系統(tǒng)。系統(tǒng)沒有受到對轉(zhuǎn)軸的合外力矩，該系統(tǒng)對于豎直軸的角動量應(yīng)保持不變。飛機靜止時，系統(tǒng)重的角動量為零。主螺旋漿轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一個對軸的角動量，遵循角動量守恒定律，系統(tǒng)的角動量必須保持為零，因此機身一定要沿相反的方向轉(zhuǎn)動。為了制止機身轉(zhuǎn)動，就要開動尾翼螺旋槳，尾翼螺旋槳推動空氣，產(chǎn)生一個力矩，由角動量原理，該力矩可以阻止機身的轉(zhuǎn)動。由于直升機尾巴較長，力臂較大，因此尾翼螺旋槳只需要較小的功率即可平衡機身的轉(zhuǎn)動。34（5）角動量守恒演示【實驗內(nèi)容】操作要點：扳下機身螺旋槳控制按鈕，觀察到機身和螺旋槳沿著相反的方向旋轉(zhuǎn)起來；加大（或減小）螺旋槳轉(zhuǎn)速，機身的轉(zhuǎn)速也將隨之加大（或減小）。再扳下尾翼螺旋槳控制按鈕，（注意開關(guān)的方向與機身螺旋漿控制開關(guān)的方向應(yīng)一致），尾翼螺旋槳旋轉(zhuǎn)，機身轉(zhuǎn)速變慢；調(diào)整尾翼螺旋槳轉(zhuǎn)速，直至機身不再旋轉(zhuǎn)。35（5）角動量守恒演示【注意事項】

兩個控制開關(guān)的方向一定要一致，否則不但不能使機身平衡，反而會使機身越轉(zhuǎn)越快。實驗過程中切勿觸碰飛機模型，開機時間不宜過長，以免損壞。螺旋槳的速度不要過大，否則尾翼的力矩將不能平衡機身的轉(zhuǎn)動。實驗結(jié)束時，須調(diào)節(jié)速度至最小后再關(guān)閉電源，以免下次啟動時損壞設(shè)備。36（5）角動量守恒演示【實驗拓展】思考：直升飛機的螺旋槳和尾翼有什么作用？有的直升飛機裝有雙螺旋漿，請對它的作用和原理做出解釋。舉出不少于3個日常生活中角動量守恒的應(yīng)用實例動量守恒定律。

37（6）角速度矢量合成【實驗?zāi)康摹?/p>

通過角速度矢量合成演示儀，演示角速度物理量是一個矢量，其合成角速度矢量與二分角速度矢量間遵守矢量合成的平行四邊形法則。【實驗儀器】38【實驗原理】

角速度是一個矢量，它的方向由右手螺旋法則決定，如圖1所示。如果剛體球參與兩個不同方向的轉(zhuǎn)動，其角速度分別為、，則剛體球合成轉(zhuǎn)動的角速度為，即遵守平行四邊形法則（如圖2）。（6）角速度矢量合成39【實驗拓展】

上網(wǎng)或圖書館查找其它角速度矢量合成的例子，并對現(xiàn)象和原理做出解釋。（6）角速度矢量合成40【實驗引入】

飛機起飛視頻思考：大型飛機如何起飛？基本原理是什么？（7）機翼壓差實驗41【實驗?zāi)康摹?/p>

通過實驗了解流體的伯努利方程的應(yīng)用，并了解飛機機翼因上下壓差產(chǎn)生升力的原理。【實驗儀器】（7）機翼壓差實驗42【實驗原理】

伯努利方程表述為：對于由不可壓縮、非粘滯性流體流線組成的流線上的各點，其壓力和單位體積的機械能（動能勢能）之和為常數(shù)，即對于流線上的任意點，均有下式成立：其中p為壓力，v為流速，為流體密度，h為相對高度，g為重力加速度。另外根據(jù)流體的連續(xù)性原理，在一個流管中，流體的橫截面S與流速v間有關(guān)系：（7）機翼壓差實驗43【實驗原理】

所以當(dāng)高速氣流在飛機機翼上下兩經(jīng)過時，因機翼上方凸起，氣流經(jīng)過的橫截面S較小，故氣體的相對流速較大；而機翼下部呈凹形，氣流經(jīng)過的橫截面S較大，氣體的相對流速較小。根據(jù)伯努利方程，流速大的地方氣體的壓力較??；流速小的地方氣體的壓力較大，所以這就使飛機的機翼上下產(chǎn)生壓差，形成了向上的升力。（7）機翼壓差實驗44【實驗內(nèi)容】

本實驗裝置上有一個機翼模型，把氣源打開對著機翼吹風(fēng)即可進行飛機機翼壓差升力的演示。（7）機翼壓差實驗45【實驗儀器】（8）風(fēng)洞實驗46【實驗拓展】思考題：1.飛機機翼為什么做成上凸下平的形狀？

2.如果換成橢圓形的模型還會起飛嗎？拓展：風(fēng)洞模擬實驗的不足：風(fēng)洞實驗既然是一種模擬實驗，不可能完全準(zhǔn)確。概括地說，風(fēng)洞實驗固有的模擬不足主要有以下三個方面。與此同時，相應(yīng)也發(fā)展了許多克服這些不足或修正其影響的方法。（8）風(fēng)洞實驗47【實驗拓展】風(fēng)洞模擬實驗的不足：邊界效應(yīng)或邊界干擾真實飛行時，靜止大氣是無邊界的。而在風(fēng)洞中，氣流是有邊界的，邊界的存在限制了邊界。支架干擾風(fēng)洞實驗中，需要用支架把模型支撐在氣流中。支架的存在，產(chǎn)生對模型流場的干擾，稱為支架干擾。不能滿足的影響風(fēng)洞實驗的理論基礎(chǔ)是相似原理。相似原理要求風(fēng)洞流場與真實飛行流場之間滿足所有的相似準(zhǔn)則，或兩個流場對應(yīng)的所有相似準(zhǔn)則數(shù)相等。風(fēng)洞試驗很難完全滿足。

（8）風(fēng)洞實驗48【實驗?zāi)康摹?/p>

通過演示加深對楞次定律的理解【實驗儀器】（9）電磁阻尼擺49【實驗原理】楞次定律：當(dāng)一個閉合回路中磁通量發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感生電動勢，這個感生電動勢在導(dǎo)體中形成的感生電流的磁場會阻礙閉合回路中原磁通量的變化。在導(dǎo)體中產(chǎn)生的感生電流因其為閉合的環(huán)狀，所以又稱為“渦流”。

（9）電磁阻尼擺50【實驗原理】

本儀器分別用一片平面金屬片和梳狀金屬片做成擺的形狀，讓它們以擺動的形式從一對磁鐵的磁極中間穿過。平面金屬片經(jīng)過磁極附近時，因磁通量發(fā)生變化，在金屬片內(nèi)產(chǎn)生環(huán)狀的渦流，該渦流的磁場與原磁場有抵觸，對平面金屬片的運動產(chǎn)生電磁阻尼作用，從而使平面金屬片很快停頓下來。而梳狀金屬片經(jīng)過磁極附近時，雖然磁通量也發(fā)生變化，但在梳狀結(jié)構(gòu)的金屬片中不能形成環(huán)狀的渦流，所以不會產(chǎn)生渦流磁場，也就不會受到電磁阻尼，它會像普通的擺那樣正常地進行擺動（9）電磁阻尼擺51【實驗內(nèi)容】1、平面金屬片擺動：不加電壓-------自由擺動-------長時間停止施加電壓-------阻尼擺會迅速停止----強磁阻尼2、梳妝金屬片擺動：不加電壓-------自由擺動-------長時間停止施加電壓無明顯變化電磁阻尼擺演示視頻（9）電磁阻尼擺52【注意事項】在擺動過程中要注意調(diào)整擺平面與磁極間的間距，不要和磁鐵有直接的接觸。注意不要長時間通電，以免燒壞線圈。（9）電磁阻尼擺53【實驗拓展】思考題：列舉電磁阻尼的實際應(yīng)用電磁阻尼現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于需要穩(wěn)定摩擦力以及制動力的場合，例如電度表、電磁制動機械，甚至磁懸浮列車等。依靠電磁阻尼原理將傳統(tǒng)的ABS剎車系統(tǒng)進行了改造，以適應(yīng)電動汽車的剎車制動。并在一些細節(jié)上對傳統(tǒng)的ABS進行了優(yōu)化。（9）電磁阻尼擺54【實驗拓展】相比較傳統(tǒng)ABS的優(yōu)點：

1．本制動系統(tǒng)，從踩下剎車系統(tǒng)就開始工作，開始時間比較傳統(tǒng)ABS快；2．沒有機械剎車制動系統(tǒng)，不會有剎車片的磨損。因為不會有剎車片的磨損，也就不會因為剎車板在工作是因為磨損而碳化失靈；3．傳統(tǒng)ABS采用點剎，本系統(tǒng)采用的剎車系統(tǒng)使用線剎（即一直維持在20％的滑移率）通過改變電磁鐵線圈中電流，不但可以改變電磁力的大小，而且可以改變電磁力的方向。（9）電磁阻尼擺55【實驗?zāi)康摹?/p>

觀察納米磁液的超順磁性，流動性?！緦嶒瀮x器】（10）納米磁液56【實驗原理】

納米磁性液體簡稱納米流體，它是由單分子層（2nm）表面活性劑包覆的，直徑小于10nm的單疇磁性顆粒高度彌散與某種載液中而形成的穩(wěn)定“固液”兩相膠體溶液。處于磁場中的磁流體既具有液體的流動性，又具有固體磁性材料的磁性，是一種性能獨特，應(yīng)用廣泛的新型納米液態(tài)功能材料。在外磁場作用下會顯示出奇異特性。（10）納米磁液57【實驗原理】

磁流體的應(yīng)用基礎(chǔ)是它可以被控制、定位、定向與移動，即通過控制它的流變性，調(diào)節(jié)它在使用中的磁力強度、流動方向、磁性材料顆粒的聚集形式和濃度，從而能改善一些領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，制造工藝和使用性能。根據(jù)它的“物性變化”，可以研究壓力、流量、磁力等傳感器；根據(jù)它的“保持作用”，可以研究密封潤滑、阻尼散熱、負載保持等；根據(jù)它的“流體運動特性”，可以研究制導(dǎo)、液滴變形、位置控制等。目前對納米磁液的研究和應(yīng)用已擴展到航天航空、電子、化工、機械、冶金、儀表等各個領(lǐng)域。（10）納米磁液58【實驗內(nèi)容】

納米磁液實驗裝置包括一個玻璃容器、磁液、磁鐵。實驗時將磁液倒在玻璃容器中，將磁鐵慢慢靠近玻璃容器底部，在外加磁場的作用下，納米磁液顯示磁性，并順著磁力線的方向顯示出針狀，外加磁場強度越強，這種針狀越明顯。當(dāng)外磁場消失時，納米磁液恢復(fù)原狀。（10）納米磁液59【注意事項】

實驗過程中不要將容器傾斜，嚴禁將容器倒置?！舅伎碱}】

查閱資料，了解納米磁液在工業(yè)生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，寫一篇短文向大家介紹納米磁液的各種特性。（10）納米磁液60【實驗?zāi)康摹?/p>

觀察低壓氣體在高頻強電場中產(chǎn)生輝光放電的現(xiàn)象，了解輝光放電的原理

?！緦嶒瀮x器】（11）輝光球61【實驗原理】

輝光放電（glowdischarge）原理介紹：在一個置有板狀電極的玻璃管內(nèi)充入低壓氣體，當(dāng)兩極間的電壓增加到一定數(shù)值時，稀薄氣體中的殘余正離子在電場中加速，有足夠的動能撞擊陰極，產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射過程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使氣體導(dǎo)電。管內(nèi)出現(xiàn)美麗的發(fā)光現(xiàn)象，這就是輝光放電。輝光放電的特征是其電流強度較小，溫度不高，放電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)。輝光放電可分為陰極輝層、克魯克斯暗區(qū)、陰極輝區(qū)、法拉帶暗區(qū)、陽極輝柱、陽極輝層和陽極暗區(qū)。氣壓繼續(xù)降低，陽極輝柱輝光減弱并出現(xiàn)明暗相間的輝紋。（11）輝光球62【實驗原理】

輝光球又稱為電離子魔幻球。它的外觀為直徑約30cm的高強度玻璃球殼，球內(nèi)充有稀薄的惰性氣體（如氬氣等），玻璃球中央有一個黑色球狀電極。球的底部有一塊震蕩電路板，通過電源變換器，將12V低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊哳l電壓加在電極上。通電后，震蕩電路產(chǎn)生高頻電壓電場。由于球內(nèi)稀薄氣體受到高頻電場的電離作用而光芒四射，產(chǎn)生神秘色彩。由于電極上電壓很高，所以發(fā)出的光是一些輻射狀的輝光，絢麗多彩，光芒四射，在黑暗中非常好看。當(dāng)用手（人與大地相連）觸及球時，球周圍的電場、電勢分布不再均勻?qū)ΨQ，故輝光在手指的周圍處變得更為明亮，產(chǎn)生的弧線順著手的觸摸移動而游動扭曲，隨手指移動起舞。（11）輝光球63【實驗原理】

輝光球發(fā)光實質(zhì)是氣體分子的激發(fā)、碰撞、電離、復(fù)合的物理過程，玻璃球內(nèi)充有某種單一氣體或混合氣體，球內(nèi)電極接高頻壓電源，手指輕輕觸摸玻璃球表面，人體即為另一電極，氣體在極間電場中電離、復(fù)合、而發(fā)生輝光。所以輝光球發(fā)光是低壓氣體（或叫稀疏氣體）在高頻強電場中的放電現(xiàn)象。（11）輝光球

64【實驗內(nèi)容】1、打開電源開關(guān)，即可觀察到輝光球從中央電極向四周發(fā)出絢麗多彩的輝光。

2、用手指輕觸玻璃球的表面，輝光產(chǎn)生的弧線會順著手的觸摸移動而游動扭曲，隨手指的移動而起舞?！咀⒁馐马棥?/p>

實驗過程中嚴禁敲擊、用力拍打、擠壓玻璃球，以防打破玻璃。（11）輝光球65【思考題】為什么用手指靠近輝光球表面時，輝光線就會向手指的方向聚集，并隨手指而移動。在自然界中也存在氣體放電產(chǎn)生輝光的現(xiàn)象。北極光就是一種輝光，它是位于海平面以上800—100Km高空的氣體，由于受到外層空間高速粒子的轟擊而發(fā)出冷輝光所形成的極光束。請你通過查找資料，進一步了解北極光由來、極光現(xiàn)象及形成條件，寫一篇短文，向大家介紹這一自然現(xiàn)象。（11）輝光球66【實驗拓展】人體輝光：

1911年倫敦有一位叫華爾德?基爾納的醫(yī)生運用雙花青染料刷過的玻璃屏透視人體，發(fā)現(xiàn)在人體表面有一個厚達15毫米的彩色光層。疾病輝光：在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，根據(jù)人體發(fā)出的冷光信息，不僅可以判斷一個人的健康狀況，還可以用來診斷疾病。在疾病發(fā)生前，體表的輝光會發(fā)生類似太陽的“日暈”現(xiàn)象。一般認為呈紅亮色的光說明健康狀況良好，呈灰暗色的輝光則說明病重。愛情輝光：在男女交往中，人體輝光還是愛情的標(biāo)志。前不久，美國學(xué)者在一家照相館利用一種高科技微光檢測儀對一些拍攝訂婚照、結(jié)婚照的男女進行觀測，發(fā)現(xiàn)情侶手挽手拍照時，女性指尖上的光暈特別亮，并向男方指尖延伸過去；而男子的指尖光暈卻會略微后縮以順應(yīng)女性的光圈。（11）輝光球67【實驗拓展】意識體能輝光：科學(xué)家預(yù)測：人體輝光還可以應(yīng)用于其他方面，有的科學(xué)家把人體輝光用到犯罪學(xué)中去，因為人體輝光會隨著大腦思維方式、行為意向的變化而產(chǎn)生不同的暈圈。對犯人也能進行“人體輝光監(jiān)控”，如犯人企圖說謊，身上的輝光便輝出現(xiàn)種種彩色斑點交替閃耀跳動。人體輝光產(chǎn)生的原因，科學(xué)家們至今各抒己見。一些人認為輝光現(xiàn)象除了人體白細胞之外，還可能使人體體表某種物質(zhì)、射線與空氣復(fù)合產(chǎn)生的，或是一種水汽和人體鹽分與主頻電場作用的結(jié)果，或是人體的光導(dǎo)系統(tǒng)——經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)顯示它的“廬山真面目”。（11）輝光球68【實驗?zāi)康摹?、演示鐵磁物質(zhì)在溫度超過居里點后鐵磁性消失，變?yōu)轫槾判缘奈锢憩F(xiàn)象；

2、加深理解順磁性、鐵磁性的概念，理解居里點?！緦嶒瀮x器】（12）熱磁輪演示69【相關(guān)知識】1．磁介質(zhì)：是指在磁場中的介質(zhì)在磁場作用下，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并反過來影響磁場分布的物質(zhì)。磁介質(zhì)在磁場作用下內(nèi)部狀態(tài)的變化我們稱之為磁化。根據(jù)磁介質(zhì)的磁化特性，分為順磁質(zhì)、抗磁質(zhì)和鐵磁質(zhì)。2．順磁質(zhì)：就是指磁化后的磁介質(zhì)所產(chǎn)生的附加磁感應(yīng)強度與真空中的磁感應(yīng)強度方向相同，換句話說就是增強了原有的磁場。我們稱這種磁介質(zhì)為順磁質(zhì)。反之就是抗磁質(zhì)。（12）熱磁輪演示70【相關(guān)知識】3．鐵磁質(zhì)：如果激發(fā)的附加磁感應(yīng)強度比真空的磁感應(yīng)強度大的多，我們就稱之為鐵磁質(zhì)。鐵磁質(zhì)的特性有：（1）能產(chǎn)生特別強的附加磁場，使鐵磁質(zhì)中的磁場增強102—104倍。（2）鐵磁質(zhì)的磁導(dǎo)率不是恒量，而是隨所在處的磁場而變。（3）鐵磁質(zhì)的磁化具有磁滯現(xiàn)象。在外磁場撤消后，鐵磁質(zhì)仍能保持原有的部分磁性。（4）鐵磁質(zhì)具有一臨界溫度稱為居里點，在居里點，磁性發(fā)生突變。當(dāng)溫度在居里點以上時，鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁質(zhì)。各種材料的居里點不同，如鐵是1040K，鎳是631K，鈷是1388K。（12）熱磁輪演示71【相關(guān)知識】4．居里點或居里溫度：是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里點溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此時和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)溫度高于居里點溫度時,該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10的負6次方。（12）熱磁輪演示72【實驗原理】

物質(zhì)的磁性可分為抗磁性、順磁性和鐵磁性三種。具有鐵磁性的物質(zhì)稱為鐵磁體。鐵、鈷、鎳等元素及其多種合金就是鐵磁體。在鐵磁體中，相鄰原子之間存在著非常強的交換耦合作用，這種相互作用促使相鄰原子的磁矩平行排列起來，形成一個自發(fā)磁化達到飽和狀態(tài)的區(qū)域，自發(fā)磁化只發(fā)生在微小的區(qū)域（體積約為，其中含有1017～1021個原子），這些區(qū)域稱為磁疇。在沒有外磁場作用時，在每個磁疇中，分子磁矩均趨向同一方位，但對不同的磁疇，其分子磁矩的趨向各不相同。因此對整個鐵磁體來說，任何宏觀區(qū)域的平均磁矩為零，物體不顯示磁性

（12）熱磁輪演示73【實驗原理】

當(dāng)鐵磁物質(zhì)被加熱到一定溫度時，由于鐵磁物質(zhì)內(nèi)分子運動加劇，磁疇被瓦解，物質(zhì)的鐵磁性立刻消失，轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)，這個重要的臨界溫度稱為居里溫度。純鐵的居里溫度大約是767℃，鎳的居里溫度大約是380℃。（12）熱磁輪演示74【實驗原理】

利用低居里點的金屬材料（鎳絲）做成的圓環(huán)，在其邊沿附近放一永磁體，在整個圓環(huán)處于同一溫度時，永磁體對環(huán)的靜磁力是關(guān)于磁場中心和圓環(huán)中心的連線而對稱的，因此圓環(huán)在磁場中受力而不受力矩的作用。若在永磁體旁邊放一酒精燈，燒灼圓環(huán)的某處，酒精燈焰燒灼處的溫度若高于圓環(huán)材料的居里點，則該處將發(fā)生相變而由鐵磁質(zhì)變成為一般的順磁質(zhì)，永磁體對該點的吸引力將大大減弱，此時圓環(huán)受的永磁體的吸引力產(chǎn)生了關(guān)于圓環(huán)中心的力矩，此力矩使圓環(huán)轉(zhuǎn)動起來。低居里點的金屬圓環(huán)的各部分不斷地進入高溫?zé)嵩磪^(qū)，不斷地被加熱、相變、產(chǎn)生力矩，圓環(huán)便持續(xù)地轉(zhuǎn)動起來。（12）熱磁輪演示75【實驗內(nèi)容】1．點燃酒精燈，放在轉(zhuǎn)輪下面偏離磁極一側(cè)，使靠近磁鐵的鎳絲部分在磁場中的一側(cè)被加熱。當(dāng)達到居里點時，被加熱的鎳絲失去鐵磁性，轉(zhuǎn)輪在磁場中受力失去平衡，因而受到一力矩作用，轉(zhuǎn)輪將向一個方向轉(zhuǎn)動。

2．將酒精燈移走，轉(zhuǎn)輪將慢慢停止轉(zhuǎn)動。待轉(zhuǎn)輪完全停止轉(zhuǎn)動后，將酒精燈放回，但加熱部位靠近另一側(cè)，轉(zhuǎn)輪將向另一個方向轉(zhuǎn)動。

3．換一個鐵絲轉(zhuǎn)輪做實驗，加熱部分應(yīng)靠近磁極處。由于鐵的居里溫度較高，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速很慢。

4．通過對比鎳絲轉(zhuǎn)輪和鐵絲轉(zhuǎn)輪在加熱之后的轉(zhuǎn)動情況，加深對居里點的認識。（12）熱磁輪演示76【實驗視頻】（12）熱磁輪演示77【實驗?zāi)康摹?/p>

用巴克豪森效應(yīng)演示儀來演示鐵磁體磁疇的內(nèi)摩擦現(xiàn)象?！緦嶒瀮x器】（13）巴克豪森效應(yīng)演示裝置圖原理圖78【實驗原理】

鐵磁性物質(zhì)在外場中磁化實質(zhì)上是它的磁疇存在逐漸變化的過程，與外場同向的磁疇不斷擴大，不同向的磁疇逐漸減小。在磁化曲線最陡區(qū)域，磁疇的移動會出現(xiàn)躍變，尤其硬磁材料更是如此。（來源：百度）本實驗是把疇壁躍變引起的磁化躍變用聲音顯示出來。（13）巴克豪森效應(yīng)演示79【實驗原理】

鐵磁質(zhì)的磁化規(guī)律表現(xiàn)為相對磁導(dǎo)率很大，且磁化過程不可逆。具有這樣兩個特點的根本原因是鐵磁質(zhì)內(nèi)存在自發(fā)磁化的磁疇，以及磁疇磁矩要改變方向需要克服一定的內(nèi)摩擦阻力。鐵磁質(zhì)的磁化過程，是在外磁場的作用下，趨向外磁場方向的磁疇得以發(fā)展和擴大，逆向外磁場方向的磁疇被排擠壓縮，磁化過程表現(xiàn)為原子磁矩的轉(zhuǎn)向和磁疇壁的移動，這一過程要受到內(nèi)摩擦阻力的影響。由于內(nèi)摩擦阻力的存在，在外磁場改變時，內(nèi)部磁疇要克服此阻力，這一過程將產(chǎn)生振動。本實驗就是把這種振動經(jīng)放大變?yōu)槁曇舨シ懦鰜恚枰匝菔敬女牭奶匦?。?3）巴克豪森效應(yīng)演示80【實驗內(nèi)容】1、線圈無樣品：永磁鐵靠近----無聲音2、線圈放入鐵鎳合金：永磁鐵靠近----沙沙響聲如果永磁體移動得很慢，喇叭發(fā)出噗噗的響聲。當(dāng)永磁體不動時，響聲立即停止；繼續(xù)向前移動，喇叭又發(fā)出響聲，離合金片越近聲音越大。當(dāng)永磁體慢慢離開線圈時，喇叭也發(fā)出響聲，但是比移近時要小。永磁體離得越遠聲音越小，直到?jīng)]有響聲。磁極方向不變，再將永磁體移近線圈，坡莫合金片再次被磁化，不同之處是響聲比第一次磁化時聲音要小一些。3、線圈放入鋼片：聲音很小。4、線圈放入鋁片或銅片：無聲音。（13）巴克豪森效應(yīng)演示81【實驗視頻】（13）巴克豪森效應(yīng)演示82（14）窺視無窮【實驗?zāi)康摹?/p>

通過演示使觀眾觀察到一組平行平面鏡對同一個立體物的景像進行反復(fù)多次反射得到的不斷伸遠的、無窮無盡的相似圖像的光學(xué)現(xiàn)象?！緦嶒瀮x器】83（14）窺視無窮【實驗原理】“窺視無窮”是由一個物體在兩個相互平行的平面鏡之間經(jīng)過反復(fù)許多次反射后在人眼中形成的許許多多虛像的疊加。其光路原理圖如下：84（15）夢幻時鐘【實驗?zāi)康摹?/p>

通過演示說明視覺暫留的原理?！緦嶒瀮x器】85（15）夢幻時鐘【實驗原理】

本演示儀器采用一排發(fā)光二極管固定在一根可快速移動的直桿上。在不同的時刻，直桿上的發(fā)光二極管按預(yù)先設(shè)定好的不同的編碼發(fā)光，如果把直桿快速移動，則直桿在空間的不同位置時，有不同的發(fā)光管在空間的一些特定的點發(fā)光，由于直桿移動很快，光點的切換也很迅速，故這些空間不同位置的、特定的點發(fā)出的光，按視覺暫留的原理，人眼可把這些在不同時刻、不同空間位置出現(xiàn)的亮點連在一起，形成一些特定的圖案或時鐘數(shù)字等。86（15）夢幻時鐘【實驗思考】

請查閱資料，解釋什么是視覺暫留現(xiàn)象？并列舉生活中視覺暫留的例子87（16）光線傳像束【實驗?zāi)康摹?/p>

了解光纖傳輸原理.【實驗儀器】88（16）光線傳像束【實驗原理】

光纖：一般是指由透明介質(zhì)構(gòu)成，直徑與長度之比小于1:1000的細絲。光線從光纖的一端入射，沿著光纖傳播，最后從另一端出射。單條光纖只能傳光，不能成像。如果將許多光纖固定在一起，構(gòu)成光纖束，就可以將具有一定面積的像面通過每根光纖，逐點地將像由光纖束的一端傳至另一端。根據(jù)光纖傳輸光線方式的不同，可以將其分成兩大類，一類是由均勻透明介質(zhì)構(gòu)成，光線在光纖內(nèi)部通過表面的全反射和直線傳播進行傳輸，稱為全反射光纖或階梯型光纖；另一類光纖由非均勻介質(zhì)構(gòu)成，中心折射率高，邊緣折射率低，光線在光纖內(nèi)部沿著曲線傳播，稱為梯度折射率光纖。這兩類光纖傳播光線的方式不同，應(yīng)用的范圍也不同。89（16）光線傳像束【實驗原理】

傳像光纖主要由全反射光纖構(gòu)成。光纖傳像束的原理用于傳像束的光纖必須有很好的外包層。用傳像束傳像有許多特殊的優(yōu)點，如長度和空間無嚴格限制，具有很大的數(shù)值孔徑，沒有像差。它的缺點是：光纖束中的少數(shù)光纖可能被折斷，使輸出像面上出現(xiàn)盲點；輸入輸出端的排列形狀可能有變形，引起像的變形；只存在一對共軛面，而且景深很??；分辨率受光纖直徑的限制。如果要使圖像傳送得更清晰，就要盡可能選用直徑較小的光纖，因為光纖越細，在一定的傳像束上就能容納進更多的光束，這樣就能傳送更多的像元。顯然，像元越多，圖像就越清晰。90（17）透射光柵變換畫

【實驗?zāi)康摹?/p>

觀察光柵分像現(xiàn)象，了解分光光柵【實驗原理】

立體畫的本質(zhì)是柱鏡的分光和人腦的合成。人眼觀看物體之所以有立體感，是因為人有兩只眼分別從不同的角度看到物體的一個側(cè)面，這兩個像經(jīng)人腦合成就成為物體的立體像。立體畫是兩個像的重疊，為使兩像分別映入人的左右眼，像面上覆以一層由柱鏡條狀透明帶組成的膜，兩像經(jīng)膜上柱鏡分光向左右偏射，使看照片的人左眼看到左像，右眼看到右像，經(jīng)人腦合成為立體印像。91（17）透