物理演示实验讲义物理实验教学中心编二零零八年六月目录糖溶液旋光 2 白光全息 3 太阳能应用 4 法拉第笼 5 能量穿梭机 6 超导磁悬浮列车7 电磁炮8 飞机的升力9 激光倍频10 魔灯——等离子球11 氢燃料电池12 三相旋转磁场13 锥体上滚14阿贝成像和空间滤波15超声雾化16傅科摆17光学分形18光学幻影19红绿立体图20混沌摆21家用冰箱空调制冷系统原理22龙卷风23茹可夫斯基凳24陀螺仪25雅格布天梯26长余辉材料27海市蜃楼28直升飞机29糖溶液旋光【实验目的】演示糖溶液的旋光色散现象【实验原理】线偏振光在某些介质中传播时，出射光振动面会转过一定角度，这种现象称为旋光性。

线偏振光可分解成左旋和右旋圆偏振光。

两种圆偏振光在介质中传速不同，但通过一定距离后，两种圆偏振光合成后仍为线偏振光，只是振动面转过一定角度θ。

在溶液传播时，转角θ大小为：θ=，其中l为液体的长度，D为溶液的浓度，c为溶液的旋光率。

cDlc是偏振光波长λ的函数。

由此，当白色线偏振光通过旋光物质后，不同波长的线偏振光振动面旋转的角度不同，各色光的振动面随之相互分开。

这种现象称为旋光色散。

【实验操作】在仪器的后方加上第二个某单色偏振片，转动第1个偏振片，使该色光的振动面与第二个偏振片的偏振化方向一致，则此色光可全部通过，此色光的光强最大，其余色光成分按马吕斯定律为部分通过，旋转偏振片可见透射光的主色调周期性变化。

白光全息白光全息是指在普通白光照射下再现的立体全息。

当记录介质的感光厚度远大于干涉条纹的间距时，在其厚度方向形成三维干涉图样。

如图示白光再现全息照相光路，激光束经过扩束后，再经反射镜反射，设该光为参考光，参考光穿过全息干版后，投射到物体表面后反射，此光为物光。

参考光和物光形成三维空间干涉条纹，如用白光再现，则各色光全息像完全分开，全息再现像十分清楚。

太阳能应用——神州号飞船仿真模型某些半导体物质，在光照的情况下可以产生电动势，将光能转化为电能。

神州号飞船仿真模型分轨道舱、返回舱及动力舱三个部分。

上面两侧的电池板提供音响设备用电，下面两侧的电池板提供动力舱旋转动力；当电池板吸收了太阳能，模型能够旋转，并播放中国第一位宇航员杨立伟的声音。

神舟6号飞船模型法拉第笼本实验可以演示较大型的静电屏蔽。

导体在静电场中处于静电平衡时，导体内部没有宏观电场，电荷只分布在导体的外表面，导体内部以及腔内的场强为零。

这样，空腔内的系统将不会受腔外电场的影响，这叫静电屏蔽。

用金属丝网做成的法拉第笼，使它带电，电荷仅存在于笼体外表面，笼内无电场，人在笼内部安然无恙。

能量穿梭机能量穿梭机模型是一种演示机械能相互转换的力学运动实验装置。

通过球体穿梭在富有流动雕塑美感的轨道间趣味旅程，折射出多种力学的运动形态和物理现象。

超导磁悬浮列车当超导块经冷却达到超导态后，和永磁性导轨靠近时，在超导体表面会感应出高屏蔽电流，该电流的感应磁场与磁性轨道的磁场互相作用，会产生磁悬浮或磁倒挂现象。

电磁炮当炮筒中的线圈通入瞬时强电流时，穿过闭合线圈的磁通量会发生变化，从而置于线圈中的金属炮弹会产生感生电流，感生电流的磁场将与通电线圈的磁场相互作用，使金属炮弹飞速射出。

电磁炮的作用时间很长，可大大提高弹丸的速度和射程．因而引起了世界各国军事家们的极大关注。

飞机的升力飞机机翼的形状被精心设计成流线型，下面平直，上面圆拱，飞行时能使流过机翼上方空气的流速大于机翼下方的空气流速。

这样机翼下表面的压力要比上表面的大，形成一个向上偏后的举力（图A）。

正是举力的作用使飞机机翼向上举起。

如果机翼的上下形状相同，那么上下压强相同，就不存在压力差，即没有升力（图B）。

激光倍频根据量子理论，原子中电子在能级跃迁时，会发射或吸收一个频率为v的光子。

若入射光强度足够大，可出现一次吸收2个或多个光子的情况。

当电子再从高能级跃回，发射的电子的频率增加一倍，这就是光学倍频。

其过程如下图所示：μ的红外激光，通过按特定方向切本实验利用氙灯光泵激励下发射1.064mμ的红外激光外，还有波长为0.532mμ割的碘酸锂晶体，出射时除了有1.064m的绿光（频率为红光的一倍）。

魔灯——等离子球该球体内装有不同的几种惰性气体，通电后，由于电子碰撞而使原子失去外电子而产生电离，电能转化为光能，产生不同颜色的光束。

氢燃料电池氢燃料电池利用了电解水的逆反应来发电，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。

从而产生电能。

氢燃料电池污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

其能量转化率高，可达60%～80%。

且贮氢材料丰富，因此前景应用广阔，目前在航天和汽车领域方面取得较大的成功。

氢燃料汽车（概念车）三相旋转磁场定子的三个线圈绕组通以对称的三相电流，各相电流幅值相等，相位差为0120，则三对线圈将产生旋转磁场，该磁场以三相交流电频率 在平面内旋转。

把金属球在旋转磁场中，将发生电磁感应产生涡流。

球从而产生有趣的运动现象。

线圈的三相星型电流和相位图锥体上滚从导轨低端处释放滚轮，在滚动过程中由于导轨的间距逐渐增大，使得滚轮的重心逐渐降低，重力势能逐渐减小，滚轮就沿导轨从低端滚向高端。

在台东县东河乡，有一个名叫“都兰”的旅游胜地，其最吸引游人处，便是“水往高处流”。

“怪坡”旁有一股小溪，溪水流到山脚下的农田，而靠近山脚旁的另一股溪水不往下流，偏偏反其道而行之，向山坡上流去，观者无不称奇。

阿贝成像和空间滤波阿贝在改进显微镜时发现大孔径的物镜有较高的分辨率，提出了相干成像原理。

认为在相干平行光照明下，显微镜的成像可分为两步。

第一步是通过物的衍射光在物镜的后焦面上形成一个初级衍射图（即频谱图）；第二步是这一初级衍射图向前发出球面次波，干涉叠加后位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。

这称为阿贝成像原理。

阿贝成像示意图成像的两个步骤如图所示。

以一维光栅为物，单色平行光垂直照射在光栅上，经衍射分解成为不同方向的很多束平行光（每一束平行光对应于一定的空间频率）。

经过物镜分别聚焦于后焦面上形成点阵（频谱面）。

然后代表不同空间频率的光束重新在像平面上复合而成像。

成像的两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。

第一步起的作用就是把光场的空间分布变为频谱面上的空间频率分布；第二步则是再作一次傅里叶变换将其还原成空间分布。

由此可见，成像过程本质上就是两次傅里叶变换。

如果在透镜的后焦面（即频谱面）按需要放置一块挡光屏，以减弱或去掉某些空间频率成份或改变某些频率成份的相位，将使像平面上的图像发生相应的变化。

这种改变像的频谱的物理过程叫空间滤波。

频谱面上的挡光屏称为空间滤波器。

常用的滤波器有：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和方向滤波器等。

超声雾化超声雾化就是利用超声波产生的高频振荡将水打散成直径只有1-5微米的细小颗粒，随着超声波频率的增加，雾化液滴会越来越细，再利用风动装置，将这些小颗粒吹到空气中，这些小颗粒直观的看来就是蒙蒙的水雾，超声雾化后水珠会带负离子。

超声波技术及其应用产品可分为两类，一类是用较弱的超声来实现信息的采集与处理，该类技术产品有雷达、声纳、超声诊断、超声探伤、超声检测等等；另一类是用较强的超声，即功率超声，以其能量来改变材料或人体病灶的状态、性质或性能，该类技术及其应用产品有超声波清洗、超声波粉碎、超声波抛光、超声波搅拌、超声波焊接、超声波治疗等。

傅科摆傅科摆是法国物理学家傅科（J.B.L.Foucault ）1851年在巴黎万神殿的圆拱屋顶上悬挂一个长约67米的大单摆，在摆的过程中，摆动平面不断地作顺时针方向的偏转，从而证明地球是在不断自转。

地球自西向东旋转，其角速度ω 的方向沿地轴指向北极。

处于北半球某点的运动物体速度v 方向，那么该物体所受的科里奥利力的表达式为：ω ⨯=v m f c 2 ，科里奥利力c f 的方向垂直于一个平面，这个平面是由v 和ω 的方向所组成的平面，所以c f 垂直于v ，使v 发生偏转。

在地球的两极，傅科摆的摆动平面24小时转一圈，而在赤道上，傅科摆没有方向旋转的现象；在两极与赤道之间的区域，傅科摆方向的旋转速度介于两者之间。

右图所示为北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹。

将单摆拉开一定角度（不超过底盘限定的范围），使其在竖直面内摆动；调节底盘上的定标尺，使其方向与单摆的摆动方向一致；经过一段时间（大约1－2小时），北半球傅科摆摆动平面的旋转轨迹观察单摆的摆动面与定标尺方向的夹角（大约10－20度）。

光学分形分形是一种具有自相似特性的现象、图像或者物理过程。

在分形中，每一组成部分都在特征上和整体相似。

除自相似性以外，分形具有的另一个普遍特征是具有无限的细致性。

即无论放大多少倍，图像的复杂性依然丝毫不会减少。

但是每次放大的图形却并不和原来的图形完全相似，即分形并不要求具有完全的自相似特性。

本实验利用互成一定角度的多个反射镜对同一个图案进行多次反射，构成一个复杂图像，体现分形的基本概念。

光学幻影——“看得见，摸不着”如图所示，将物体A置于凹面镜的曲率中心——C点下方，则物体发出的光通过凹面镜反射将汇集于光轴C点的上方等距处，形成与物等大的倒立实像A'。

观察者只要使A'离眼的距离大于近点，在凹面镜孔径角ω的反射范围内进行观察，就可以看到栩栩如生的实物景象，其三维立体感、视差及反差等视觉特性如同观察实际物体完全一样。

接通电源后，通过观察窗可以看见一条游动的鱼；移近或远离窗口，观察现象的变化。

红绿立体图人眼之所以能看到立体图像是由于左右双眼从不同的角度观察景物，形成具有一定视差的两幅图像，各自反映到大脑，经过大脑的合成产生立体感。

红绿立体图是把两幅具有适当视差的同一景物分别制成红色和绿色图像，再把这两幅图像组合在一起.戴上红绿眼镜后，透过红色镜片只能看到红色的图，透过绿色的镜片只能看到绿色的图。

因此通过红绿眼镜将具有视差的两张图各自反映到大脑，使人产生逼真的立体感.上述立体图立体感的深度，取决于两幅图的视差大小。

混沌摆一个动力学系统，如果描述其运动状态的动力学方程是线性的，则只要初始条件给定，就可预见以后任意时刻该系统的运动状态。

如果描述其运动状态的动力学方程是非线性的，则以后的运动状态就有很大的不确定性，其运动状态对初始条件具有很强的敏感性，具有内在的随机性。

本系统就是一个非线性系统，一个很小的扰动，就会引起很大的差异，导致不可预见的结果，这种现象称之为混沌现象，这种摆称之为混沌摆。

手持轴柄给系统施加一冲量矩，系统开始运动，运动情况复杂，前一时刻难以预测后一时刻的运动状态。

重新启动，由于初始状态的不同，系统的运动情况就差别很大。

这反映了系统运动的混沌性质。

1972年12月29日，美国麻省理工学院教授、混沌学开创人之一E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为《蝴蝶效应》的论文，提出一个貌似荒谬的论断：在巴西一只蝴蝶翅膀的拍打能在美国得克萨斯州产生一个龙卷风，并由此提出了天气的不可准确预报性。