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科技馆中的物理知识
孔德源作
(
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一、华夏之光
1
、明代福船
(
1
)简介:
福船,
是福建、
一带尖底古海
其船上平如衡,<
/p>
浙江沿海
船的统称,
下侧如刀,
底尖上阔,首尖尾宽两头翘,这一船舶结构是中国在
造船方面的一大发明
,它提高船舶的抗沉性能,增加
了远航的安全性能。福船与广船、沙船和鸟船并列为
p>
中国古代四大船系。
(
2
)特点:
一是首部
尖,尾部宽,两头上翘,首尾高昂。它的
两舷向外拱,两侧有护板。特别是福船有高昂首
部,
又有坚强的冲击装置,吃水又深,可达到四米,适合
于作为
战船。
二是船体高大,上有宽平的甲板、连续的舱口,船
首两侧有一对船眼。作为战船用的福船全船分四层,
下层装土石压舱,
二层住兵士,
三层是主要操作场所,
上层是作战场所,居高临下
,弓箭火炮向下发,往往
能克敌制胜。
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孔德源作
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三是操纵性好,
福船特有的双舵设计,
在浅海和深
海都能进退自如。
(
3
)帆:
船只借助帆的每一面所产生的力量沿着迎风方
向移动
.
迎风面的正向力量
(
推力
)
和背风 面的负向力
量
(
拉力
)
合 在一起形成了合力,这两种力量都作用于
同一方向
.
在
1738
年,科学家丹尼尔·伯努 利发现,气流
速度与周围自由气流成比例增加,从而导致压力的降
低,而这可令气流速度更快
.
这种情况在帆的背风面
发生即空气流动速度加快并在帆的后面形成低压区
域
.
(
4
)尾舵
尾舵是安装在轮船、潜艇或飞机上的一个小舵板,
先有此控制较
大的方向舵,从控制船或飞机的航行方
向
提供稳定性;
保证飞机纵向和侧向平衡;
产生俯仰
和
偏航阻尼力矩;安装升降舵和方向舵,操纵飞机飞
行。
二、探索与发现
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孔德源作
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1
、光路可见
(
1
)简介:
p>
在椭圆形的
可以沿轨道滑动
器,容器内分别
溶液、氢氧化铁
(
2
)原理:
p>
当一束光线透过胶体,
从入射光的垂直方向可以
观察到胶体里
出现的一条光亮的“通路”,这种现象
叫丁达尔现象,也叫丁达尔效应(
Tyndall effect
)
或者丁泽尔现象、丁泽尔效应、廷得耳
效应
在光的传播
线照射到
粒子时,
大于入射光波长
过程中,
光
< p>如果粒子
很多倍,
则
台
上
有
三
个
的
有
机
玻
璃
容
放<
/p>
置
着
氯
化
钠
溶
液
以
及
缔
合
吗?
胶体。台面外侧有一个激光反射源。
发生光的反射;如果粒子小于入射光波长,则发生光
的散射,这时观察
到的是光波环绕微粒而向其四周放
射的光,称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散<
/p>
射现象或称乳光现象。由于溶液粒子直径一般不超过
1
nm
,
胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间,
其直径在
1~100
nm
。
小于可见光波长
(
400
nm
~
700
nm
)
< p>,
因此,当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。
科技
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孔德源作
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而对于真溶液,虽然分子或离子更小,但因散射光的
强度随散射粒子体积的减
小而明显减弱,因此,真溶
液对光的散射作用很微弱。此外,散射光的强度还随
分散体系中粒子浓度增大而增强。
所以说,
胶体能有丁达尔现象,
而溶液几乎没有,
可以采
用丁达尔现象来区分胶体和溶液,注意:当有
光线通过悬浊液时有时也会出现光路,但是
由于悬浊
液中的颗粒对光线的阻碍过大,使得产生的光路很
短。
(
3
)现象:
我们把装有氢氧化铁溶液以及缔合胶体的有机玻
璃容器放在激光束通过的
路径中时,会观察到容器中
有一个较粗的清晰光路,而在装有氯化钠溶液的容器
里却几乎看不到。
2
、手蓄电池
(
1
)简介:
这件展品由多个金属棒和检流计组成,金属棒
分两组,左侧红色标牌的金
属棒材质为铁、铜、铝,
右侧黑色标牌的金属棒材质为铜、铝、铁。
(
2
)原理:
这是因为我们手上的汗液是电解质,
握住不同
的金属棒时
,汗液便和金属发生了化学反应。使电子
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在不同的金属间转移。
手蓄电池
人手
上带有汗液,
种电介质,
里面含有一定
量的正
负离子。
铝板比铜
板活泼,
铝板上汗液中的
负离子发生化学反应,而把外层电子留在铝板上,使
铝板集聚大量负电荷,铜
板上集聚大量正电荷。当用
导线把铜板和铝板连接起来,铝板上的电子通过电流
计将向铜板移动,在导线中有电流通过,从而产生了
电流。故电流计指针
偏转。这实际上就构成了一个简
单的原电池
(
3
)现象:
当用手握住不同的金属棒时,可看到检流计的
指针发生偏转,证明有电流
产生。当左手所握得材质
不变的情况下,变换右手的材质,检流计的指针一般
都会发生改变,当换一个人去握同样的材质时,显示
的数字也会发生改变。
3
、空中自行车
(
1
)简介:展台上的两根立柱之间,固定有一根
钢
丝,钢丝一端的高度可以用操作手柄进行操作,使
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< br>
孔德源作
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独轮车从高到低运动,独轮车下方有配重装置,连接
杆可以伸缩调节长度,配
重物体多少也可以改变。
(
2
)原理:
运用的是“不倒翁”重心稳定的原理。上轻下重
的物体比较稳定,
也就是说重心越
低越稳定。
当不倒翁在竖立状态处
于平衡时,
重心和接触点的距离
最小,即重
心最低。偏离平衡位置后,重心总是升高
的。
因此,
这< /p>
种状态的平衡是稳定平衡。
所以不倒翁
无
论如何摇摆,总是不倒的。
不倒翁竖直时重心 最低
,
所以当不倒翁向任意方
向倾倒时
,
重心都要升高
,
不稳定
.
最终要回 答原来的
位置
(
竖直位置
).
4
、旋转的金蛋
(
1
)简介:
所谓“旋转金蛋”就是将
一个用铁基金属制作的形状
为旋转对称
的椭球体
(
一个
对称轴的长度大于其它两个轴的长度
p>
)
。
将它放在一个
光滑铮亮的薄平板上,薄板
的下边是一个由导线缠绕
铁磁体构成的电磁场。当给线圈通交流电时,交变电
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磁场驱动金蛋开始缓慢旋转。
(
2
)现象:
一开始,
金蛋绕垂直于台面的短轴旋转,
随着电流
持续作
用,金蛋越转越快,在它的转速达到某一速度
时,它就自动立起来,绕长轴转动;这时的
长轴将垂
直台面。持续通电,它将持续转动,直到切断电流,
它
又缓慢躺下,回到原始的状态。
(
3
)原理:
根据理论力学的刚体动力学,一个三轴对称椭球体的
转动惯量
(
即抗拒转动的惯性量
)
的大小与它的转动轴
方向有
关。如果椭球的三个轴的长度不同,它具有三
个大小不同的转动惯量:令
Jx , Jy , Jz
分别代表
绕
x, y, z
轴的转动惯量,它们是椭球体质量
m,
和
三个主轴长度
(a, b, c)
的函数。
c
是
z
轴方向 的轴
长;对于本文情况,金蛋为旋转椭球体,两个短轴相
等,即
a = b
;
所以公式可以简化
(
详见附录
1)
。
又知刚体转动动能
T
是椭球体转动惯量
Jx
,
Jy
,
Jz
和 转动角速度的函数,
其表达式请见附录
2
。
可见,
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当转动角速度相同时,绕
z
轴转动的动能最小,因为
这时的转动惯量最小。
我们注意到,当金蛋立起来绕长轴转动时,它的 p>
重心较高,位能较大;那么,为什么它还要立起来旋
转呢?这是由于
刚体旋转状态要取它的总量最小的形
式
(
最小能量原理< /p>
)
。下边用图
4
说明其中的奥秘。
令金蛋绕短轴旋转为状态
I
,而金蛋绕长轴旋转
为状态
II
,
那么我们可以比较状态
I
与状态
II
哪个
总能量最小呢?现在用
UI
与
UII
代表两种状态下的
总能量,它
们等于动能和位能之和。动能
T
已经在附
录里给出,位能
(AI,
AII)
的公式是:
AI
=
hx
mg,
AII
= hz mg,
其中
g
是重力加速度。
根据最小能量原理,当
UI
〉
UII
时,金蛋将奋
力站立起来,绕长轴
c
旋 转。下边求出旋转状态改变
的临界旋转角速度,
在
UI< /p>
与
UII
公式中,
hx
mg
与
hz
mg
两项是固定值,
和旋转角速度无关,
二者之差等于
(hz - hx
)mg
。状态
I
和状态
II
金蛋 的旋转动能请
见附录
2
;该附录中也给出了临界转动角速 度。当转
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