高中物理课外兴趣实验

1高中物理课外兴趣实验杨晨我们生活在一个充满五光十色现象的自然世界之中，几乎是每时每刻、每处每地，都可能见到奇异的物理现象。它为我们学习提供了一个广阔的天地，投身这个天地会使你的观察力更敏锐、头脑更聪颖、双手更灵巧，还能养成很多良好的习惯。物理学是一门实验科学，学物理离不开观察、实验和思考，而且这方面的例子也是很多的。例如，你打开自来水龙头，就应当仔细观察水流的形状是什么样的，想一想为什么会出现这种形状？天上的雨滴落在你的头上，你是否会想到雨滴为什么会往下“落”呢？你站着、走路、骑车是感觉到的雨点方向又会是怎样的呢？雨滴为什么不会把你的头打破呢？你是否可以做一点模拟研究的实验？考虑如何设计一个测雨量的仪器，如何应用雨水下落的能量？学过“动量”以后，你可以从三楼阳台上摔下一个鸡蛋，让它落在软沙发的塑料垫上，看看他能弹多高，想一想它为什么不会打破？往热水瓶中冲开水时，听一听冲开水的声音有什么变化？学习“向心力”后，自己亲手我住系石块的线的一端，转转试试，感受一下转动的石块对你的手的拉力与什么因素有关。当你走进游艺馆时，你会看到各种各样的物理玩具，转动的陀螺，浮沉的“小鱼”，会爬绳的“小猴”，“永动的秋千”······多么有趣，又多么令人思索！在这个天地里，你会感受到物理学就在你的身边，孩提时的好奇心，将会变得更加旺盛。在这里，你的知识不是靠死记硬背来掌握的，而主要是靠运用，靠通过自己亲身的经验受到启发而掌握的，这样获得的知识是忘不掉的。第一章力学实验第一节谁能取胜一、力气大的一定取胜吗？你一定见过或者亲自参加过拔河比赛，也许还没有忘掉那激动人心的场面，但是你有没有想过取胜的原因究竟是什么？也许你会毫不犹豫的回答：力气大嘛！是否力气大的一定取胜？还是通过实验再来回答。找一根质量较小但比较牢靠的麻绳，先请两位个子和力气都差不多的同学进行比赛，仔细观察比赛是两人的情况，找一找取胜的主要原因。再请一位个子矮小，力气也比较小的同学和身材魁梧的大个子进行比赛，不过要让大个子穿上旱冰鞋，看看究竟谁能取胜？分析取胜的原因。我们可以把拔河的过程分成两个阶段来分析：1．相持阶段：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fBfA，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。2二、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f2f1。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？3二、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4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ghv20，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h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51，其跳起的高度和时间的关系如图7所示。5如果我们测出一分钟的跳绳次数，就可以算出频率f和周期T，进而估算出留空时间T，由上抛公式可得跳起的高度2281)21(21TgTgh。而每跳一次必须把自己的体重举高h,克服重力所作的功为,mghW因此功率TTmgTmghTWP822。如果跳绳者的质量50m千克，一分钟跳180次，则31T秒，若着地时间占T的51，则15454TT秒。由此可以求得平均功率3.133318)154()10(5082222TTmgP（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86二、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v，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（r）方向与相对纸轮质心平动的气流速度v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v方向相同，因此下方流速（rvv下）小，而上方流速)(rvv上大，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107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。