1、力热学应用实验讲义第 1 页 大学物理实验中心啄木鸟一、演示目的演 示 能 量 之 间 的 转 换 。二、演示原理：停 在 金 属 杆 顶 端 的 啄 木 鸟 具 有 重 力 势 能 ， 松 开 手 后 ， 啄 木 鸟 在 水 平 振 动的 同 时 下 落 。 下 落 的 啄 木 鸟 重 力 势 能 不 断 减 少 ， 减 少 的 重 力 势 能 不 断 转 化 为啄 木 鸟 的 动 能 和 弹 簧 的 弹 性 势 能 。 这 种 能 量 之 间 的 转 化 ， 使 啄 木 鸟 在 水 平 方向 不 停 的 振 动 。 在 下 落 的 过 程 中 听 到 啄 木 鸟 的 敲 击 声 ， 直 到
2、 落 到 地 面 后 停 止 。三、实验仪器：演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 2 页 大学物理实验中心克隆一、演示目的演 示 力 与 压 强 的 关 系 。二、演示原理：当 手 压 在 仪 器 上 ， 手 的 重 量 会 分 散 到 各 个 钉 子 上 ， 每 个 钉 子 承 受 的 压力 只 有 几 克 ， 钉 子 扎 到 手 时 也 不 会 将 手 刺 坏 。三、实验仪器：演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 3 页 大学物理实验中心能量穿梭机一、演示目的演示小球在电能、机械能、重力势能、动能的一系列转化过程中像穿梭机一样运动的过程。二、演示原理：本装置有各种转轮、传送装置等，小球从
3、高处滚下，由于重力势能的释放，转化为动能，使小球发生了一系列生动有趣的运动过程。三、操作与现象：1. 打开演示装置上的电源开关，先把小球移到最高处，然后放下小球即可进行演示。2. 实验结束，关闭电源。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 4 页 大学物理实验中心瑞林球一、操作方法通过双手控制铁棍，将球从下往上夹，夹的越高分值越高，利用钢珠的重力惯性是赢得比赛的关键。二、实验仪器：演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 5 页 大学物理实验中心螺旋飞球一、演示目的演示向心力和离心力。二、操作与现象：小球在圆形的螺旋轨道上旋转，旋转的速度会发生神奇的改变。在旋转半径小的地方速度最快，在旋转半径大的地
4、方速度最慢，并能在没有轨道托住的情况下旋转。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 6 页 大学物理实验中心最速降线演示一、演示目的演示曲线运动的快慢。二、操作与现象：比较直线和曲线轨道可知，轨道的前一部分，曲线轨比直线轨“陡”得多。受重力作用，球在曲线轨上滚动将先达到最大速度，虽然曲线轨道比直线轨道长，但因球速快，因此曲线轨上的球先到终点。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 7 页 大学物理实验中心五连球演示一、演示目的演 示 动 量 守 恒 定 律 和 能 量 守 恒 定 律 。二、演示原理及操作：由 动 量 守 恒 和 能 量 守 恒 原 理 可 知 ， 两 个 等 质 量 刚 性 球
5、弹 性 正 弹 时 ， 它 们将 交 换 速 度 。 五 联 球 装 置 使 参 与 者 可 自 由 组 合 联 球 个 数 ， 进 行 不 同 质 量 的 交换 速 度 碰 撞 的 实 验 。 将 仪 器 放 置 在 水 平 桌 上 ， 拉 动 一 侧 一 个 球 或 多 个球 使 其 偏 开 平 衡 位 置 ， 松 手 时 ， 使 其 与 余 球 碰 撞 ， 观 察 其 他 球 跳 起 的 情 况 ，得 到 结 论 。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 8 页 大学物理实验中心滚摆演示一、演示目的演 示 机 械 能 守 恒 定 律 。二、演示原理及操作：将 滚 摆 轴 保 持 水 平 ，
6、 均 匀 使 悬 线 绕 在 轴 上 ， 待 滚 摆 到 达 一 定 高 度 ， 使 轮在 挂 绳 悬 点 的 正 下 方 ， 放 手 使 其 平 稳 下 落 ； 在 重 力 作 用 下 ， 重 力 势 能 转 化 为轮 的 转 动 动 能 。 轮 下 降 到 最 低 点 ,轮 的 转 速 最 大 ， 转 动 动 能 最 大 ， 然 后 又反 向 卷 绕 挂 绳 ， 转 动 动 能 转 化 为 重 力 势 能 ,轮 的 转 速 减 小 ， 位 置 升 高 。 如此 可 多 次 重 复 。 滚 摆 滚 动 下 落 的 重 力 势 能 变 为 滚 摆 绕 过 质 心 的 轴 转 动 的动 能 和
7、质 心 平 动 的 动 能 。 机 械 能 守 恒 定 律 告 诉 我 们 滚 摆 的 重 力 势 能 与 滚 摆 的动 能 之 和 保 持 不 变 。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 9 页 大学物理实验中心共振摆演示一、演示目的演 示 共 振 现 象 。二、演示原理及操作：两 个 完 全 相 同 的 一 维 单 摆 系 统 在 同 一 个 轻 质 易 转 的 水 平 轴 上 ， 一 个单 摆 振 动 将 通 过 轴 的 微 动 把 振 动 能 量 传 递 给 另 一 个 摆 。 中 间 最 大 的 球 我们 称 为 A 球 ， 本 仪 器 中 A 球 为 策 动 力 摆 ， 当 A 球
8、 摆 动 时 ， 其 振 动 通 过 摆动 片 使 其 它 各 球 也 随 之 作 受 迫 振 动 。 策 动 力 的 频 率 等 于 A 球 的 频 率 ， 并决 定 于 它 的 摆 长 。 可 以 发 现 ， 固 有 频 率 跟 策 动 频 率 相 等 到 的 最 两 个 球 （ 最 两边 ） 振 幅 最 大 ； 固 有 频 率 跟 策 动 力 频 率 相 差 最 大 的 两 球 （ 绳 最 长 的 与 绳 最 短的 球 ） 振 幅 最 小 。演示与探索实验室力热学应用实验讲义第 10 页 大学物理实验中心不相溶液滴演示一、演示目的演 示 液 体 的 不 相 容 现 象 。二、演示原理及操
9、作：底 部 是 普 通 电 灯 ， 上 面 置 一 个 玻 璃 瓶 ， 瓶 内 混 合 水 与 蜡 ， 灯 泡 亮 后 形 成热 量 ， 从 底 部 传 递 到 玻 璃 瓶 ， 蜡 受 热 后 变 轻 ， 便 会 上 升 ， 到 了 顶 部 冷 却 便 又掉 下 去 ， 浮 游 效 果 便 如 此 而 来 。大学物理实验中心演示实验室力热学应用实验讲义第 11 页 大学物理实验中心转动定理演示实验一、演示目的：演示观察角加速度与力矩和转动惯量的关系二、力矩、转动惯量力矩：力(F)和力臂(L)的乘积(M)即：M=FL力矩是描述物体转动效果的物理量，物体转动状态发生变化才肯定受力矩的作用刚体以角速
10、度 绕定轴 O 转动时，体内各质元具有不同的线速度。如图 1 所示，设其中第 i 个质元的质量为 ，与轴 O 相距为 ，其线速度大小为 ，其动能为 。 整个刚体的转动动能就是刚体内所有质元的动能之和式中， 为刚体对轴的转动惯量 I，故上式可写成 。将物体的转动动能 与平动动能 相比较，也可以看出物体的转动惯量 I 对应于物体平动时的质量 m。三、注意事项：仪器的边缘最好在桌子边缘，要让砝码竖直下垂。力热学应用实验讲义第 12 页 大学物理实验中心大学物理实验中心演示实验室转动定理演示仪使用说明书一、仪器结构如图：（1） 底台（2） 用滚珠轴承固定可自由转动的轴杆（3） 固定在转轴上的绕线轮（4
11、） 转动系统上可沿水平杆位置可移动的重物 （5）定滑轮 （6）法码二、演示方法：用左右两套结构完全相同的装置作对比实验（1） 将二套装置上的重物固定在距轴都相同的位置上。（2） 将两套装置的线轮上绕等长的线绳，线绳上挂质量相同的砝码。将两砝码都绕到最高位置，同时施放两个转动系统。使它们在砝码的力矩下开始转动。可见两套系统在相同力矩作用下，转动惯量相同，角加速度和转速也相同。（3） 将一套装置上的重物固定在距轴最远处，而将另一套装置上的重物固定在距轴很近处。（4） 将砝码绕到最高位置，同时施放两个转动系统使它们在砝码的力矩下开始转动。可见重物靠近轴的系统旋转得较快，另一个较慢。说明当力矩相同时，
12、转动惯量愈小角速度愈大。力热学应用实验讲义第 13 页 大学物理实验中心演示与探索实验室机械能守恒原理演示一、演示目的演示机械能中动能和势能的转换以及向心力。二、实验装置及操作1、让小钢球从最高处A 点滚下，则小球可沿环形轨道运动一周后到达 B 处，而不跌落离开轨道。2、小钢球不是从最高处 A 点滚下，则小球离开环形轨道跌落下来。三、机械能守恒及向心力根据机械能守恒，小钢球从导轨的高处滚下的过程中，小钢球的势能转化成动能。由于导轨中有一部分环形轨道，因此，只有当小钢球具有一定的速度，它才能克服其向心力，顺利沿环形轨道运动一周。四、思考：1、为什么只有最高处，小钢球方可沿环形轨道运动到达 B 而
13、不跌落？2、若 A、B 两点一样高，小钢球能到达 B 点吗？力热学应用实验讲义第 14 页 大学物理实验中心演示与探索实验室简谐运动与圆周运动等效演示一、演示目的通过对水平方向的简谐振动和在竖直平面内圆周运动在水平方向的投影之间的类比，说明简谐振动表达式中各量的含义。二、实验装置图三、注意事项：接通电源之前注意保证各运动部件活动正常。大学物理实验中心演示实验室力热学应用实验讲义第 15 页 大学物理实验中心简谐运动与圆周运动等效使用说明一、演示仪的结构简谐振动与圆周运动投影演示仪的结构如下图所示，其中 a 为正视图，b 为侧视图。 其中支撑演示仪的竖直固定的长方形板；是绕水平轴转动的圆盘；是固
14、定在圆盘上的带帽圆柱形棒；是可沿圆孔沿水平方向位移的直杆；杆上固定一带帽的圆柱形棒；是长形的环形导轨。电机，其轴与圆盘固定；导线；开关。二、操作与现象演示力热学应用实验讲义第 16 页 大学物理实验中心1、将电源插座插入墙上 220V 电源插座上。2、接通电源开关。3、电动机缓慢转动后，通过主轴带动演示仪正面的圆盘以一定角速度沿竖直平面转动。4、固定在圆盘上的带帽圆柱棒（白色）以相同的角速度绕轴心做圆周运动。该带帽的圆柱带动竖直的导轨。通过环形导轨带动圆柱棒（红色）并带动沿水平轴（设为 x 轴）位移的直杆做往复位移。5、在上述运动过程中，可以看出做圆周运动的白色质点在水平轴（x 轴）的投影，（
15、红色）做简谐振动；其简谐振动的表达式：)cos(0tAx中，振幅 A 与做圆周运动的质点（色点）的半径对齐，圆频率 与圆周运动的角速度对应，而初位相 与开始计时圆周0运动的幅角（半径与水平轴 x 的夹角对齐） 。三、注意事项：接通电源之前注意保证各运动部件活动正常。大学物理实验中心演示实验室力热学应用实验讲义第 17 页 大学物理实验中心共振现象演示一、演示目的该仪器利用长短不同的弹性钢片在周期性外力作用下作强迫振动，当弹性片的固有频率与强迫外力的频率相同时产生共振现象。调节频率，将在弹性片中可形成驻波。二、演示装置及技术参数：结构如下图所示1 底脚 2 底座 3 弹簧 4 电机（转速 350
16、0 转/分）5 电机架 6 偏心轮 7 振子 8 振动杆9 支架 10 顶丝三、实验内容：将仪器放置水平桌面上，接通电源，仔细调节电源电压，使电机转速逐渐增快，可观察到弹性钢片从长到短逐个振动，当调节到一定频率时，在较长的钢片中可形成驻波。力热学应用实验讲义第 18 页 大学物理实验中心演示与探索实验室阻尼摆和非阻尼摆演示一、演示目的演示涡电流的机械效应二、实验原理及装置在磁场中运动的导体，由于电磁感应，在大块导体内将产生涡电流，再据楞次定律，涡电流在磁场中受到的安培力必定阻碍导体的运动，这就是电磁阻力。装在摆上的导体片在磁场中摆动也要受到电磁阻力。改变导体片的结构，使涡电流减少，则阻尼力也将
17、减少。三、实验操作及现象：1.先不通入励磁电流，使阻尼摆在两极间作自由摆动，可以观察到在轴尖处的摩擦力和空气阻力作用下，要经过相当长的时间摆才停止下来。2.接通励磁电源（12 伏） ，则在两磁极间产生很强的磁场。当阻尼摆在两磁极间左右摆动时，根据愣次定律阻尼摆内产生感应电流（涡电流） ，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，现在，引起感应电流的原因是来自摆的摆动，因此感应电流的效果是产生阻力，使摆动迅速停止。 3.用非阻尼摆代替阻尼摆作如上实验，可以观察到其摆动仍需经过较长时间才停止。这是因为非阻尼摆上有许多隔槽，使得涡电流大为减小，从而使阻尼作用不明显。力热学应用实验讲义第 19 页 大
18、学物理实验中心演示与探索实验室台式肥皂膜演示一、演示目的通过配置的肥皂液附着形成薄膜，可以演示薄膜振动、液体表面张力以及薄膜干涉。二、实验仪器1、液槽2、各种形状的不锈钢丝框3、肥皂粉和甘油三、注意事项：1、不要将水撒出。2、实验完成后将仪器清洗干净。力热学应用实验讲义第 20 页 大学物理实验中心演示与探索实验室台式肥皂膜演示仪使用说明书一、肥皂液的配制配制肥皂液很容易，可用蒸馏水（或自来水、过滤的雨水） ，在其中加入高泡沫洗衣粉，比洗衣服的浓度稍浓一点，达饱和状态，再加入少量纯甘油（不太纯的也可以） ，只要使在铁丝框上拉成肥皂膜能保留较长时间就可以了。二、操作方法1 振动实验（1） 把直径
19、为 40cm 的圆环（见图 1） ，放在配好的肥皂液里浸一下，再斜一点拉起来，就在圆环上得到一个肥皂膜，把圆环上下振动，可得到一个悬链曲面，这就是薄膜在振动。（2） 把 6020cm 长方形框架，放在肥皂液里浸一下，就拉成一个长方形的肥皂膜。手拿着框架的把柄，以框架的中线为轴左右两边上下作振动，改变振动频率，就可以得到一个多个半波的驻波。图 3 所示为两个半波的驻波。振动频率增高时，可以得到半波数更多的驻波。力热学应用实验讲义第 21 页 大学物理实验中心2 表面张力实验把 127cm 的长方型框架（如图 4） ，放在肥皂液里浸一下，拉成一个肥皂膜。漆包线将肥皂膜分成两半，把漆包线一边的肥皂膜
20、捅破，漆包线因肥皂膜的表面张力的作用而收缩到最小的程度，把它拉向边缘。放在投影仪上，课堂演示效果更好。（1） 用 7cm 的圆环（如图 5） 。拉上一层肥皂膜，丝线把肥皂膜分成两部分。捅破一部分，另一边的肥皂膜要收缩，就把丝线拉成圆弧状。（2） 用 20cm 的圆环（如图 6） 。拉上一层肥皂膜，丝线把肥皂膜分成三部分，用加热的针尖捅破中间双线所围的那部分肥皂膜。周围的肥皂要收缩，中间的双线就被拉成一个圆形状。力热学应用实验讲义第 22 页 大学物理实验中心取一个三通塑料管（如图 7）在其下端右边的塑料管先浸上肥皂液，在上端橡皮管里吹进气，直到右边的肥皂泡有一定的体积。然后下端左边的塑料管再浸
21、上肥皂液，继续吹气。这样右边的肥皂泡体积，左边的肥皂泡体积小，停止吹气，用大拇指按紧上端的橡皮管，可以看到大的肥皂泡逐渐变大，小的逐渐变小，直到消失，说明小肥皂泡里的压强大于大肥皂泡里的压强，这就证明了 p 与 R 成反比。（3） 将钢丝做成的四面体框和六面体框完全浸入肥皂液里，取出后可以看到，表面的肥皂膜收缩到最少面积。3 薄膜干涉实验白光照射肥皂膜所产生的美丽的彩色条纹带是光干涉的结果。用一个铁丝框浸到肥皂液里，轻轻拉起来，形成一个肥皂膜。把它竖直放置，用重力作用下，肥皂膜成为上面薄下面厚的尖劈状。用白光照射就可以看到美丽的彩色等厚干涉条纹带。当肥皂液慢慢向下流时，可以看到彩色条纹带在由窄
22、变宽。若采用透镜成像光路，投影在墙上或屏幕上观察，可以得到很大的图象。当肥皂液向下流到一定程度（上半部薄到小于半个波长）时，力热学应用实验讲义第 23 页 大学物理实验中心再看反射光的干涉图象，上半部就出现暗区。这是肥皂膜前后两面反射的两列波的光程差接近于零，但从表面反射的那条光线发生了相位突变 的缘故，由于透射光强和反射光强是互补的，所以在薄膜的反射光干涉减弱而为暗区时，透射光为亮区，彩色光是互补的。如果用 He-Ne 激光代替白光照射，就只看到亮暗相间的干涉条纹，而且看到级次增多。三、注意事项：1、不要将水撒出。2、实验完成后将仪器清洗干净。力热学应用实验讲义第 24 页 大学物理实验中心
23、演示与探索实验室能量转换轮一、演示目的演示电能、磁能、机械能、光能之间的相互转化。二、实验原理：本装置有一个大的转轮，轮子一圈镶有许多永磁铁。在轮子右侧上有一个通交流电的电磁铁。电磁铁通电时，产生交变磁场，电能转化为磁能；转轮内的磁铁在该磁场的磁力作用下带动转轮转动，磁能转化为机械能；旋转的轮使得永久磁铁的磁场运动，又使左侧闭合线圈中产生感生电流，被转化成电能，并通过发光二极管转变为光能。三、操作与现象：1. 打开箱体前面板上的开关，使源盘右侧铁芯产生变化的磁场；2. 轻轻转动大圆盘（内有永磁铁） ，使其转动起来，经过两磁场的相互作用，圆盘越转越快；3. 观察圆盘左侧线圈中发光二极管的发光情况
24、；力热学应用实验讲义第 25 页 大学物理实验中心4. 实验结束，关闭电源。演示与探索实验室逆风行舟一、演示目的演 示 动 量 守 恒 原 理 的 巧 妙 应 用 ， 加 深 对 该 原 理 的 理 解 。二、演示原理：该 仪 器 用 来 演 示 动 量 原 理 ， 特 别 是 动 量 的 矢 量 特 点 及 其 原 理 的 实 际 应 用 。船 可 以 逆 风 而 行 是 因 为 风 对 船 帆 有 作 用 力 ， 且 因 帆 的 形 状 不 同 作 用 力 方 向 也不 同 ， 调 整 好 适 当 的 帆 形 ， 船 就 可 以 逆 风 前 进 了 ， 就 像 帆 板 运 动 员 在 风
25、中 要不 断 依 据 风 向 改 变 帆 形 使 速 度 达 到 最 快 。 这 说 明 “船 工 行 八 面 风 ”都 是利 用 了 动 量 原 理 。三、操作说明：先 将 船 帆 放 在 仪 器 左 下 方 ， 开 启 风 扇 ， 模 拟 风 的 吹 动 ， 适 当 调 节 船 帆的 角 度 ， 放 开 船 帆 ， 即 可 看 见 小 舟 沿 侧 逆 风 的 方 向 行 进 。四、注意事项：不 要 随 意 掰 动 帆 的 形 状 ， 船 帆 的 角 度 应 调 整 好 ， 要 让 帆 能 使 风 改 变 方 向朝 正 后 方 吹 ， 可 以 近 似 地 说 ， 这 类 似 于 船 向 正
26、后 方 “喷 气 ”而 得 到 向 前进 的 动 力 。力热学应用实验讲义第 26 页 大学物理实验中心演示与探索实验室沙 漏实验仪器：一、演示目的演 示 古 代 的 计 时 装 置 。二、演示原理：该 仪 器 利 用 沙 子 从 小 孔 中 下 落 为 匀 速 的 原 理 来 计 时 。三、操作说明：将 仪 器 翻 转 放 置 ， 让 沙 子 从 上 面 的 容 器 中 下 落 。 待 下 落 完 成 后 ， 在 翻转 180 度 ， 又 可 重 新 开 始 计 时 。力热学应用实验讲义第 27 页 大学物理实验中心四、注意事项：轻 拿 轻 放 。演示与探索实验室小桶传球一、演示目的演 示
27、物 体 在 重 力 作 用 下 的 运 动 及 力 矩 的 作 用 。二、演示原理：当 有 一 小 铁 球 落 入 右 边 的 小 桶 时 ， 重 心 由 偏 右 变 为 偏 左 ， 因 而 小 桶和 铁 球 受 的 重 力 产 生 一 个 关 于 旋 转 轴 的 力 矩 使 小 桶 沿 逆 时 针 旋 转 ， 当 旋 转 到某 一 角 度 时 ， 小 铁 球 抛 出 并 落 入 左 边 的 桶 中 时 ， 小 桶 的 重 心 由 偏 左 变 为 偏 右 ，同 样 顺 时 针 旋 转 并 将 小 球 抛 入 右 边 的 小 桶 中 ， 最 后 由 左 边 的 桶 将 小 球 抛 入 下面 的
28、盘 中 ， 整 个 过 程 均 自 动 进 行 。三、操作说明：将 以 小 铁 球 放 入 顶 部 小 桶 中 令 其 自 动 下 落 ， 注 意 不 要 让 铁 球 跌 落 到 地 板上 。四、讨论与思考：在 日 常 生 活 中 哪 些 方 面 应 用 到 力 矩 这 一 物 理 量 ？实验仪器：力热学应用实验讲义第 28 页 大学物理实验中心演示与探索实验室孤波演示一、演示目的演 示 液 体 中 的 孤 波 现 象 。二、演示原理：孤 波 (solitary wave)是 非 线 性 科 学 (nonlinear science)中 最 重 要的 三 个 概 念 之 一 。 另 二 个 为
29、 混 沌 (chaos)和 分 形 。 非 线 性 科 学 研 究 总 是 把人 们 对 “正 常 ”事 物 、 “正 常 ”现 象 的 认 识 转 向 对 “反 常 ”事 物 、 “反 常 ”现 象 的 探 索 。 孤 波 不 是 周 期 性 振 荡 的 规 则 传 播 ， 其 波 形 为 孤 立 的 大 振幅 波 包 。 在 传 播 过 程 中 ， 该 波 包 波 形 保 持 不 变 。 波 包 的 振 幅 及 宽 度 ， 均 与 波速 有 关 。 孤 波 是 非 线 性 波 动 方 程 (KDV 方 程 )的 解 ， 孤 立 波 解 象 粒 子 一 样的 行 为 故 叫 孤 立 子 。
30、本 演 示 仪 器 用 低 速 马 达 驱 动 金 属 摆 ， 在 振 动 源 上 放置 水 槽 ， 水 槽 中 的 水 在 振 动 的 作 用 下 ， 水 波 包 向 左 右 两 端 传 播 ， 继 而 由 两 端向 中 间 汇 合 。 通 过 本 仪 器 的 演 示 ， 可 直 观 地 观 察 到 孤 波 现 象 。 三、操作说明：打 开 仪 器 电 源 ， 观 察 水 槽 中 水 的 振 动 动 情 况 。 通 过 调 节 发 生 器 频 率 ，力热学应用实验讲义第 29 页 大学物理实验中心使 孤 波 产 生 。四、讨论与思考：孤 子 （ Soliton） 又 称 孤 立 波 ， 是
31、一 种 特 殊 形 式 的 超 短 脉 冲 ， 或 者 说 是一 种 在 传 播 过 程 中 形 状 、 幅 度 和 速 度 都 维 持 不 变 的 脉 冲 状 行 波 。 有 人 把 孤 子定 义 为 ： 孤 子 与 其 他 同 类 孤 立 波 相 遇 后 ， 能 维 持 其 幅 度 、 形 状 和 速 度 不 变 。 孤 子 这 个 名 词 首 先 是 在 物 理 的 流 体 力 学 中 提 出 来 的 。 1834 年 ， 美 国 科学 家 约 翰 斯 科 特 罗 素 观 察 到 这 样 一 个 现 象 ： 在 一 条 窄 河 道 中 ， 迅 速 拉一 条 船 前 进 ， 在 船 突 然
32、 停 下 时 ， 在 船 头 形 成 的 一 个 孤 立 的 水 波 迅 速 离 开 船 头 ，以 每 小 时 14 15km 的 速 度 前 进 ， 而 波 的 形 状 不 变 ， 前 进 了 2 3km 才消 失 。 他 称 这 个 波 为 孤 立 波 。 其 后 ， 1895 年 ， 卡 维 特 等 人 对 此 进 行 了 进 一 步 研 究 ， 人 们 对 孤 子 有 了更 清 楚 的 认 识 ， 并 先 后 发 现 了 声 孤 子 、 电 孤 子 和 光 孤 子 等 现 象 。 从 物 理 学 的观 点 来 看 ， 孤 子 是 物 质 非 线 性 效 应 的 一 种 特 殊 产 物
33、。 从 数 学 上 看 ， 它 是 某 些 非 线 性 偏 微 分 方 程 的 一 类 稳 定 的 、 能 量 有 限 的 不弥 散 解 。 即 是 说 ， 它 能 始 终 保 持 其 波 形 和 速 度 不 变 。 孤 立 波 在 互 相 碰 撞 后 ，仍 能 保 持 各 自 的 形 状 和 速 度 不 变 ， 好 像 粒 子 一 样 ， 故 人 们 又 把 孤 立 波 称 为 孤立 子 ， 简 称 孤 子 。 由 于 孤 子 具 有 这 种 特 殊 性 质 ， 因 而 它 在 等 离 子 物 理 学 、 高 能 电 磁 学 、 流体 力 学 和 非 线 性 光 学 中 得 到 广 泛 的
34、应 用 。 1973 年 ， 孤 立 波 的 观 点 开 始 引 入 到 光 纤 传 输 中 。 在 频 移 时 ， 由 于 折 射 率 的非 线 性 变 化 与 群 色 散 效 应 相 平 衡 ， 光 脉 冲 会 形 成 一 种 基 本 孤 子 ， 在 反 常 色 散区 稳 定 传 输 。 由 此 ， 逐 渐 产 生 了 新 的 电 磁 理 论 光 孤 子 理 论 ， 从 而 把通 信 引 向 非 线 性 光 纤 孤 子 传 输 系 统 这 一 新 领 域 。 光 孤 子 （ soliton） 就是 这 种 能 在 光 纤 中 传 播 的 长 时 间 保 持 形 态 、 幅 度 和 速 度
35、不 变 的 光 脉 冲 。 利 用光 孤 子 特 性 可 以 实 现 超 长 距 离 、 超 大 容 量 的 光 通 信 。 孤 子 隧 道 ： 甚 至 磁 场 亦 可 具 有 孤 子 行 为 ， 这 时 孤 子 表 现 出 另 一 个 显 著 特 征“开 隧 道 ”的 能 力 。 一 般 而 言 ， 磁 场 能 十 分 容 易 地 穿 过 一 块 金 属 。力热学应用实验讲义第 30 页 大学物理实验中心这 就 是 能 够 把 钉 子 挂 在 磁 铁 一 端 ， 然 后 用 这 枚 钉 子 吸 起 另 一 枚 钉 子 的原 因 。 但 在 超 导 金 属 中 ， 磁 的 “透 明 性 ”被
36、突 然 关 闭 。 在 临 界 温 度 处 ， 即 金 属 转 变 为 超 导 体 (它 本 身 是 一 个 孤 子 )的 那 点 处 ， 可 以 发 现 磁 场 突然 不 能 进 入 其 中 。 然 而 ， 若 这 一 磁 场 变 得 再 强 一 些 、 再 大 一 些 ， 则 磁 场中 会 存 在 一 点 ， 在 此 处 将 产 生 孤 子 式 磁 涡 旋 ， 它 能 渗 透 或 开 隧 进 入 超 导 体 。实 际 上 ， 这 是 一 个 孤 子 穿 过 另 一 个 孤 子 。 演示与探索实验室虹 吸一、演示目的用 于 虹 吸 原 理 及 其 应 用 的 实 验 教 学 。二、演示原理虹
37、 吸 现 象 是 液 态 分 子 间 引 力 与 位 能 差 所 造 成 的 ， 即 利 用 水 柱 压 力 差 ， 使水 上 升 后 再 流 到 低 处 。 由 于 管 口 水 面 承 受 不 同 的 大 气 压 力 ， 水 会 由 压 力 大 的一 边 流 向 压 力 小 的 一 边 ， 直 到 两 边 的 大 气 压 力 相 等 ， 容 器 内 的 水 面 变 成 相 同的 高 度 ， 水 就 会 停 止 流 动 .利 用 虹 吸 现 象 很 快 就 可 将 容 器 内 的 水 抽 出 。三、操作方法拉 动 导 轨 上 的 容 器 上 升 或 下 降 ， 观 察 其 余 容 器 里 水 位 的 变 化 。四、注意事项1、 玻 璃 制 品 ， 轻 拿 轻 放 ！2、 金 属 导 轨 请 定 时 加 润 滑 油 。
