高中物理课外兴趣实验Word文档格式.docx
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比赛开始,双方通过肌肉的紧张作用对地面施向前和向下的蹬力,地面则对它们施以反作用力FA和FB,如图1所示。
FA和FB可以分解为支持力NA、NB和静摩擦力fA、fB。
在这个阶段它们处于静止状态,因此有:
fA=TA,fB=TB,TA=TB,所以,fA=fB。
随着双方对地施力作用的加强,fA和fB等量增长,同时绳子张紧,TA和TB也等量增长。
2.决胜阶段:
当某一方(如A方)的静摩擦力达到最大值时,如B方所受的摩擦力继续加大,则fB>
fA,就A、B组成的整体而言,其合力的方向与Fb相同,因此它们产生了指向B方的加速度。
由此可见,取胜的奥妙在于设法增大摩擦。
二、谁能将木板拉向自己的一边?
我们将举行一场特殊的比赛。
比赛的规则是:
有两人各用一只手托住一均匀长木板的一端(不允许用手抓住木板),看谁能把木板拉到自己的一边来(如图2)。
这可是一场斗智的竞赛,你的肌肉再发达也不一定能取胜。
想一想,再试一试。
图2
这场比赛能够取胜的关键是只要使自己托木板的这端低于对方,对方托住的那一端就会打滑。
为什么高端会打滑呢?
我们可以从木板受力分析中找到答案。
如图3所示,木板受重力G,两端的支持力N1和N2,摩擦力f1和f2。
设木板和水平面间的夹角为θ,在未产生滑动以前,木板处于静止状态,沿着木板方向,有如下的关系:
f1+Gsinθ=f2
可以看出f2>
f1。
它表明,随着每个人使木板增强向自己方向的运动趋势时,他们的手指与木板的静摩擦力都在增大,但高端的静摩擦力大于低端的静摩擦力。
又由于木板的重心在板的中点,两端的支持力N1=N2,因此,在摩擦系数μ大致相同的情况下,两端的最大静摩擦力得值相等,所以高端的静摩擦力在增长的过程中率先到达最大值而出现打滑。
图3
第二节坐、立、走中的平衡问题
一、坐着的人怎样站起来?
坐着的人是怎样站起来的?
这倒是一个有趣的问题,也许你还不曾想过,那就请你实践一下,再来回答这个问题。
(1)请你挺胸直背双腿自垂地坐在椅子上,不要改变姿势,站起来。
能站起来吗?
为什么怎样也站不起来?
(2)请你改变胸背与腿的姿势,站起来。
多做几次,悟出站起来的道理。
人坐着站起来时,必须把胸部向前倾或者把双腿向后移,让作用于重心的重力作用线通过两脚所围的小面积里,然后才能站立,否则,你是无能为力的。
这个小面积称支面面积,两脚并拢为小,张开为大。
为什么双脚分开站起来较稳?
你能用稳度的概念来解释吗?
二、你能单脚靠墙站吗?
金鸡独立在鸡群中常能见到,小孩也常用一只脚独立做游戏,但是你能从双脚站立不变姿势地改为一只脚独立吗?
请实践一下,因为这也不是一件轻而易举的事。
请侧身将一只臂与腿紧紧地靠墙站着。
所谓靠墙是指你的身体不能向墙的一面移动,保持原来直立的姿势不变。
将离墙远的一只脚提起,让靠墙的一只脚独立,试试看,你能站立吗?
为什么不能站立呢?
人能够站立,主要是因为竖直向下通过重心的重力作用线通过了两脚围成的支面,即图4中虚线所围的面积。
在单脚站立时,支面缩小到只有一只脚掌面的大小,通过重心的重力作用线只能落在支面之外,所以不能站立。
只有在改变原来的姿势后,让它落在支面内才行,而改变姿势是这里所不允许的,因此便不能站立了。
孩童学步踉踉跄跄经常跌倒,你该会解释了吧。
但是,你可留意学步的小孩行走时亮脚总是分开的吗?
在行车时汽车上的售票员或航船上的水手,他们站立时(不扶靠物体),双脚也总是叉开的,走步都是八字形,这都是为什么呢?
而舞台上的演员,走步时又多是一字形的,如图5所示,可显得体态优美,婀娜多姿,你能说说这又是什么原因呢?
请你画出用八字形和一字形走步时两脚着地构成的支面大小,再从支面的大小与稳度的关系上去回答它。
图4图5
第三节弹跳
跳远、跳高、跳绳都属于弹跳运动,仔细观察并参加这些运动,你会提出不少值得深思的问题。
一、为什么跳高不需要较长的助跑距离,而跳远则需要较长的助跑距离,并且起跳前要向前快冲?
跳的最远的起跳角度是否就是45°
左右?
假定我们不考虑身体各部分(手、脚)在空中相对运动的影响,就可以把跳高和跳远看成一种质点的抛体运动。
显然抛体运动的射高、射程和初速度的大小和方向有关。
跳高者希望使射高尽可能大些,因此他尽力依靠蹬地的反作用力使自己获得较大的向上的起跳速度;
适当的助跑有利于他增大对地面的蹬力,并且使他获得一定的过竿速度。
而跳远者则希望射程最大,在获得一定的向上的起跳速度的情况下,留空时间相同,起跳时向前的分速度越大,射程也就越大,当然起跳角度(抛射角)也就不一定是45°
了。
如果他的起跳角度过大,则说明他助跑速度不够大。
为了提高你的跳远成绩,你可以作如下的实验:
在跑道上跑100米,分别测出每10米间隔的平均速度,找出你跑多远的距离可以获得较大的速度。
在以不同的助跑距离进行多次跳远,看看你在什么情况下射高比较大。
然后统筹考虑,从两方面选出你的最佳助跑距离。
二、假定你要参加立定跳远的比赛,事先你能否不用跳远的方法来估测一下你可能的最佳成绩?
立定跳远与助跑跳远是不相同的,它主要依靠蹬地的作用而获得起跳速度,在45°
抛射角的情况下射程最大。
为了估测自己的成绩,关键在于估测你可能达到的最大起跳速度。
你只要做立定跳高的实验,靠墙边起跳用手伸之摸高(如图6),测出你可能达到的最大高度h,再根据竖直上抛的公式,计算出初速度
,然后根据斜抛运动的射程公式,即可以解出你可能达到的射程。
试一试,这种估测方法的误差有多大。
图6
三、测跳绳时克服重力所消耗的功率。
跳绳是冬季的一种健身运动,旁人看起来似乎很简单,然而亲自跳一跳你就会感到运动量是相当大的。
能否估测一下你在跳绳时克服重力所消耗的功率至少有多少?
观察跳的好的人可以发现,他总是努力使自己落地时与地面接触的时间尽可能短,并且在跳起的高度
很小的情况下,也能让绳子从你脚下通过;
他几乎是在身体达到最高点的瞬间让绳子从脚下通过的。
假定与地面接触的时间占跳绳周期的
,其跳起的高度和时间的关系如图7所示。
如果我们测出一分钟的跳绳次数,就可以算出频率
和周期
,进而估算出留空时间
,由上抛公式可得跳起的高度
。
而每跳一次必须把自己的体重举高
克服重力所作的功为
因此功率
如果跳绳者的质量
千克,一分钟跳180次,则
秒,若着地时间占
的
,则
秒。
由此可以求得平均功率
(瓦)。
这相当于快速骑自行车时的功率,可见跳绳是要出汗的。
请你估测一下自己跳绳时的功率。
图7
第四节流速与压强的关系
稳定流动的流体(液体和气体)在同一流管中的各处,必然保持流量相同。
如果流管的横截面积大,流速就小;
反之,截面积小,流速就大。
流动着的流体的压强又与流速有关,流速大压强小,流速小压强大。
下面的一些实验可以说明这些原理。
一、吹蜡烛
把蜡烛点燃,如果你对着烛焰吹气,火焰将向着气流的方向偏倒,但是你向着烛焰的一侧吹气,或者向两支蜡烛火焰的中间吹气,你会发现,火焰将向着气流的一侧倾倒,如图8所示。
这是由于流速大处压强小的缘故。
图8
二、拉弧圈
用一张纸卷成筒状,在它的两侧套两个硬纸板做的轮盘,用胶水把纸筒与纸轮粘牢,成为一个轮轴。
另截一条比两轮盘间隔略窄的长纸条备用。
实验时,把长纸条卷在纸轮轴的轴上,把轮轴放在桌上,且使纸条的一端从轴的下方伸出,然后用手迅速的水平拉动纸条,如图9(a)所示。
纸轮轴被拉出后一边旋转,一边向前上方偏折。
为什么会出现这种现象呢?
原来纸轮轴被拉动时,一方面轮轴质心获得水平方向的速度
,一方面轮轴质心以角速度
逆时针旋转。
在轮的下方,由于转动所带动的气流速度(
)方向与相对纸轮质心平动的气流速度
方向相反,而在轮的上方,由于转动所带动的气流速度方向与相对质心平动的气流速度
方向相同,因此下方流速(
)小,而上方流速
大,如图9(b)所示,于是纸轮下方的气体压强比上方的大,从而使纸轮向上偏转。
如果让纸条逆时针方向卷在轴上,从轴的上方水平拉纸条,轮轴就会出现向下偏折的现象。
试一试,你能解释这种现象吗?
乒乓球运动员施展的拉弧圈球技术,还有杂技演员抛出旋转的草帽,兜了一圈又回到自己手里都是运用了类似的原理。
图9
三、气悬球与水顶球
取一支圆珠笔的套管,在其一头套一个纸做的喇叭口,另一端接橡皮管或塑料管。
在用一小块硬泡沫塑料磨制成一个直径约15厘米的小球。
实验时手持套管,竖直放置,喇叭口向上,将小球放在喇叭口里。
然后对着橡皮管吹气,小球就悬于喇叭口上方。
当你水平移动套管时,小球也跟着移动而不离开喇叭口上方,甚至当你将套管倾斜一定角度,小球也只是在气束中线左右晃动和转动,并不落下,如图10所示。
图10
如果取圆珠笔套管作为喷管,通过橡皮管接在自来水龙头上,打开龙头,让自来水从套管尖端喷出,再把一支乒乓球放在喷出的水束上,可以看到乒乓球在水束上断翻动而不会下落,如图11所示。
这是由于小球偏离水束中线以后就会产生旋转,靠球附近的水滴也被带着旋转散开,从而使两侧的流速不等,靠中线的一侧速度较大,压强减小,因此产生了向中线靠拢的趋势。
故小球基本上能稳定在水流上方。
压强与流速的关系在日常生活中有许多应用,如灭虫用的家用喷雾器,一种家用的热水淋浴器,请你观察一下这些器具的结构,并分析它们的原理。
第五节反冲现象
一、小小火箭
将一根火柴盒一根缝被的大针并在一起,用包香烟的铝箔将他们紧紧的包裹起来,再将有火柴头的一端的铝箔弯折过来密封捏紧,如图12所示。
然后在靠近尾部的地方装上定向尾翼,把针拔出,就成了一个很简单的反冲火箭。
实验时,把小火箭放在铁丝架上,点燃一根火柴,对准铝箔筒包有火柴头的部位加热,当温度升高到火柴头的燃点时,箔里的火柴便被点燃,使周围的空气急剧膨胀,气体从尾口高速喷出。
由于反冲作用,火箭筒便从架上飞了出去。
如图13所示。
如果在铝箔中包两根头对头的火柴,两端都不封闭。
将它放在架上,从中部加热。
当筒内火柴点然后,气体从两头喷出,铝箔筒仍留在架上,从而说明了系统的动量守恒。
图12图13
二、反冲跑车
用一个现成的小玩具卡通车和一只铝壳圆珠笔筒,你就能制作一辆很有趣的反冲跑车。
用罐头铁皮剪成如图14所示的“T”形,将上面的横边卷弯包在圆珠笔的铝筒上,并用螺丝钉或铆钉固紧铝筒。
铁皮的直边作为支架,固定在卡通车的平板上,如图15所示。
实验时在铝筒内放入几颗火柴头,用小塞子把铝筒口堵上,然后再铝筒封闭端下的铁盒里放一小团浸有酒精的棉花。
点燃棉花,对铝筒加热,不一会,塞子就从炮口冲出,小车向后倒退。
如果在炮口前方加一个收集罩,炮弹射出后即入收集罩内,跑车就几乎不动。
这两种情况都说明系统在水平方向动量守恒。
图14图15
第六节超重和失重
一、电梯中的体重
我们利用体重计在一台平稳升降的电梯中称一称我们的体重。
并将观察到的示数填入下表中:
初期
中期
末期
上升
下降
通过实验我们发现,在电梯运行的过程中,秤上的示数是在不断变化的。
在上升过程中,由于电梯先加速、再匀速、后减速,所以它先处在超重状态,快停时又处在失重状态,我们看到秤上的示数先增加后减少。
下面就要请同学们思考:
当电梯下降时呢?
二、下落的水瓶
找一个用过的易拉罐、金属罐头盒或塑料瓶,在靠近底部的侧面打一个洞,用手指按住洞,在里面装上水。
移开手指,水就从洞中射出来,如果放开手,让罐子自由落下,在下落的过程中,水将不再从洞中射出。
实验方法是将一容器靠近底部的侧壁打一小孔,里面装上水后,水从小孔中射出,放手让容器自由落下,在下落过程中水将不再从孔中射出。
我们用塑料的矿泉水瓶或类似的饮料瓶作为实验容器,预先在瓶的底部和瓶盖上各打一小孔。
瓶盛水后水从瓶底的小孔中射出,瓶盖上的小孔是为了让瓶内空气和大气相通。
演示的时候,先用手指按住下面的小孔,让瓶中装上大半瓶水并盖上瓶盖。
移开手指,水就从底下的小孔中喷射出来,然后将瓶竖直向上抛出,让瓶子作竖立上抛运动(尽可能不让瓶子翻转,这样有利于观察),在瓶子上升和下落的整个过程中,小孔中都没有水射出。
瓶子下落到桌面附近时,用手接住,这时水又从下面的小孔中喷射出来。
三、纸杯实验
如图1.30-1,把两个金属螺母(M10-12毫米)拴在一根橡皮筋的两端,再把橡皮筋的中点用一短绳固定在冰淇淋纸盒(或铁罐)底部正中,让螺母挂在空盒的口边上。
实验时让空盒从约2米的高处自由下落,你会发现螺母被橡皮筋拉回盒中,并发生“咔哒”的撞击声。
请你试一试,并思考下列问题:
(1)为什么下落时,螺母会被拉入到盒内?
(2)在空盒放手后的初始阶段,螺母是否以重力加速度g自由下落;
(3)放手后,空盘是否以重力加速度g下落?
四、
纸带为何会断掉
如图所示,我们用一纸带从重物上方的环中穿过,然后用手提住纸带,此时纸带可以承受重物的重量。
当手提细绳竖直向上加速运动时,纸条如何?
你能分析出这其中的原因吗?
第七节有趣的表面张力
一、排水围洼
拿一块稍大一点的碎玻璃片,在清水中洗净面上的灰尘后取出,玻璃上留下薄薄一层水。
取牙膏盖,向盖里滴进一两滴清水,用火柴棒搅拌使盖里残存的牙膏化成牙膏溶液,再用火柴棒蘸牙膏溶液滴在玻璃片的薄水层上,你可立即看到牙膏液周围的水向四周散去,渐渐出现中间低洼,四周较高的一个近似的圆形区域(如图1.60-1)。
细细看来,圆的正中间留下的牙膏液最浓,呈浅白色,随着径向发散而变淡,接近边缘处渐渐呈无色。
两三分钟后这块圆形区首先蒸发变干,真正成了水漫玻璃上的干“洼”地。
整个实验最好在阳光下蹲在地上做,看阳光透过玻璃留在地下的影子更清楚。
请你解释出现这种现象的主要原因。
二、水束的汇合
水与空气接触时表面有张力,会使液面收缩。
如果有几股靠得很近的水流,人为地让它们合在一起,它们能合拢成一股呢,还是仍旧各流各的?
请做下面实验,仔细观察。
取一只不破的小塑料袋,在袋的下部用针戳三个靠得较近的小孔。
向袋里灌水,立即可见三股细水流从孔中喷出。
将一手抓住袋的上部,一手用食指和拇指同时沿着袋从两侧的小孔向中间小孔抹去,即见三股水流会合并为一股;
若将一指依次再抹过三孔,遂又恢复为三股。
如图1.60-3所示。
请反复实验观察,这也是液体表面张力作用的结果。
三、水面上的火柴棒
实验前请准备如下器材:
饭碗,火柴棒,清水(自来水或井水),食盐、食糖、食碱和肥皂等物质的饱和水溶液,刻度尺,滴液管,细铁丝。
1、在同温度下比较各种液体与清水的表面张力。
用饭碗盛大半碗清水,把两根火柴棒轻轻放在水上,让其浮于水面相距约近1厘米。
分别将食糖、食盐、食碱和肥皂……的饱和水溶液滴一两滴在火柴棒中间,观察火柴棒的位置变化,用刻度尺量出最后两火柴棒之间的距离,分别记录在比较表上。
但须注意每比较一次要换一次清水。
例如肥皂水滴在两火柴棒中间,火柴棒分离,而换用食糖水,火柴棒却合拢,这分别表示它们的表面张力比水小和比水大。
请根据实验结果把各种水溶液的表面张力由大到小按①②③……次序排出,把它们的序号填入表内。
各种溶液表面张力大小的比较
饱和水溶液
距离(cm)
表面张力大小的顺序
清 水
1
食 糖 水
食 碱 水
肥 皂 水
2、同样液体在温度高低不同时,比较表面张力的大小。
与上面的实验1相同,花碗中冷水面上漂浮两根相距1厘米的火柴棒,分别用滴液管把热水和滚开水数滴滴在中间,观察火柴棒位置的变化,最后拿一根铁丝在炉火上烧它的一端,烧红后插入两火柴棒之间的水中,再看火柴棒位置的变化。
你会看到火柴棒一次接一次地在自动分开,这表明水的表面张力与温度有关,请定性地表述这里的关系。
四、水推动的小船
1、演示表面张力。
取香烟盒里的“锡纸”(即铝箔)少许,把它抹平,用剪刀剪成半厘米长的如图1.60-4所示的楔形“小船”。
舀一大碗清水,把小船轻轻放在碗中水面上。
用牙膏少许,加一点点水调稀,滴一点在船尾(或船侧)与水面的交界处,立即可以看到小船由静止突然向前(或向船的另一侧)运动。
若将火柴头蘸一点稀牙膏,接触船尾或船侧的水面,也可以看到小船迅速逃离(如图1.60-5)。
这是因为牙膏水溶液的表面张力小于清水的表面张力,小船运动状态的变化就是由船两边液体对船的表面张力之差引起的。
随着溶解在水中牙膏量的增加和牙膏的扩散,使船两边水的表面张力之差减小,“逃离”的现象也随之减弱;
更换清水后可再实验观察上述现象。
还可以切一小条肥皂放在木片制的小船尾部,然后把小船放到平静池塘里,小船能航行很长时间。
2、演示附着力。
把实验1中的小船放在碗里靠近碗边的水面上,也可用细针把它拨到接近碗边的边界区域,可以看到小船自己会由慢到快,最后迅速地向边界游去,终止在碗边上。
这是什么原因呢?
这是因为:
对船和碗而言,水是浸润液,由于与船、碗接触处的附着层的作用和表面张力的作用,随着碗边与船之间的靠近,两者中间出现显著的向上弯曲的液面(图1.60-5),从而产生向上的附加压强P′,由于液面的曲率半径在减小,附加压强便在增大。
因此液体内部的压强P1=P0-P′在减小,而碗中间液面的压强P2未变,小船就在两边的压强差推动下由慢到快地游向碗边去了。
若用一根火柴棒插入水中,水浸润了棒,移棒接近小船,小船也会自动向棒靠拢,棒离船越近,船靠拢棒越迅速。
若此时棒迅速“逃离”,船也会立即“追踪”,棒到那里,船追到那里。
这种反映液体表面由于附着力而产生压强,使小船游动的现象确实十分有趣。
要是你手里有支铅笔,拿铅笔尖代替火柴棒来做这个实验,效果也一样明显。
第二章光、电实验
第一节静电实验
一、当米粒从滑槽中滑下的时候
用长约70-80厘米的铝板做一个斜槽(如果没有铝板可以用干净的家用煤炉烟筒管代替)。
架在泡沫塑料做的绝缘支架上,用一根导线连接铝板和验电器,如图1.67所示。
实验时,将米粒从斜槽顶端滑下,随着米粒的下滑,你会看到验电器的箔片张开了。
这是为什么?
如果你在斜槽底端放一石蜡块,再将铝制饭盒放在石蜡块上,用一根导线将铝盒与验电羽相连,你会发现验电羽也张开了。
进一步检验,你还可以知道,验电羽和验电器上带的是异种电荷。
取一只塑料筷,在其一端固定一根硬铁丝,用手拿着塑料筷的另一端,使铁丝的两端分别与滑槽和铝饭盒接触,会看到验电器的箔片和验电羽都闭合了。
这种现象叫做正、负电荷的中和,它说明在摩擦起电现象中,电荷是守恒的。
二、火焰除电
做静电实验的时候,往往需要使物体不带电荷,以免原先带有的电荷影响实验的效果。
如何在不损坏物件的前提下,使原来物体上带有的残剩电荷全部消失呢?
请做下面实验。
将塑料尺与尼龙手套摩擦,用验电器去检验尺,会发现尺带了电。
拿金属板与尺接触一下,用验电器再检查尺,尺仍旧有残剩电荷。
把蜡烛点燃,将塑料尺在火焰上方掠过(不要停留,以免被火焰烧坏),如图1.68所示,再用验电器检验,可发现尺上的残剩电荷消失了。
火焰能消除静电是由于火焰的高温能使空气电离,其中的一种离子与尺上的电荷中和,因此尺上不再带电。
第二节光在水流中弯曲
光导纤维在现代科学技术中有重要的应用,例如光纤通讯,医疗中的光纤胃镜等等。
你可以通过下面的实验来认识光导纤维的导光现象。
取一只奶粉铁罐,在侧面下部钻一个直径约为4毫米的小孔,再取一只高而细的玻璃瓶(例如装花露水的瓶子),将一只带有2.5伏聚光电珠的灯座用线拴在瓶子上的适当部位,将瓶子放入铁罐,使小灯泡通电发光,且聚光于铁罐的小圆孔处。
在其前方放置白塑料板,可以看到透过小圆孔的光是直进的。
然后,向罐内倒入清水,当水从小孔中流出形成弯曲的水束时,原来在小孔前白色屏板上的光斑消失了,把屏板放在水束经过的途中,并移动屏板的位置,你可以看到光斑始终在水束与屏板相交的位置,好像逃逸不出水束的限制一般,如图1.87所示。
这是由于光在水束中产生全反射所致。
这个实验曾经是一位英国物理学家在赴美旅行时所做报告中的表演,这精彩的表演引起了科学家们的极大兴趣。
注:
以上实验及分析摘自《高中物理课外实验》一书
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