物理演示实验报告
——锥体自由上滚
4. 锥体自由上滚
一、演示目的
1 通过观察与思考双锥体沿斜面轨道上滚的现象，加深了解在重力场中物体总是以降低重心，趋于稳定的规律运动。
2 说明物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势，同时说明物体势能和动能之间的转换。
二、原理
本实验的核心在于刚体在重力场中的平衡问题，而自由运动的物体在重力的作用下总是平衡在重力势能极小的位置。如果物体不是处于重力场中势能极小值状态，重力的作用总是使它往势能减小的方向运动。本实验演示锥体在斜双杠上自由滚动的现象，巧妙地利用锥体的形状，将支撑点在锥体轴线方向上的移动(横向)对锥体质心的影响同斜双杠的倾斜(纵向)对锥体质心的影响结合起来，当横向作用占主导时，甚至表现为出人意料的反常运动，即锥体会自动滚向斜双杠较高的一端，具体分析如下：
首先看平衡(锥体质心保持水平)时锥体的位置，如图1。AA1端较高，但AA1处两横杆向外测倾斜，较高的支撑有使锥体质心向上移的趋势，而支撑点较宽又使锥体因其中间粗两端细而使质心有向下移动的趋势，两种趋势互相抵消可使锥体在图4所示任何位置都处于平衡状态。如果此时使AA1稍变宽或使BB1稍变窄，会使锥体在AA1端比在BB1端时质心位置更低，它将总往AA1 (高端)滚动，从B端向A端看，如图2所示。
AA1端处于高宽端，BB1端处于低窄端，若支撑点遇锥面相切位置如图2所示，则当锥体滚动时，质心在水平面内运动，锥体处于平衡状态。设BB1端固定，AA1端宽度一定，只调节其高度，则AA1端下降，将会出现由平衡状态上滚的现象。AA1端至多下降到BB1端所在水平面上，不过此时滚动虽明显，但“往上”不明显。故本实验装置高低宽窄布局要适度，使AA1端比平衡位置略低，锥体能自动滚动即可。
三、装置
双锥体，V字形斜面轨道
四、现象演示
把双圆锥体放在V字形轨道的低端(即闭口端)，松手后锥体便会自动的滚上这个斜坡，到达高端(即开口端)后停止。
五、讨论与思考：
1 试导出实现密度均匀的锥体上滚时,锥体顶角,导轨夹角,导轨宽窄端的高度差三者之间满足的关系;
2 求正确放置锥体与轨道上时(即锥体骑在轨道上且使其轴线垂直与两轨道的角平分线的状态),锥体质心受到的沿轨道平面斜向上的力的大小;
3 若放置锥体与轨道上略有倾斜(其轴线不垂直于两轨道角平分线)时,研究锥体的运动,并通过实验检验所得的结论.
The cone rolls on the track freely
This term we have had two classes of College Physics Experiment. In the class, we have seen our teacher done many experiments, including electromagnetism, mechanics and so on. When I saw the experiment that a cone freely rolls along the spout I became interested in it . So this time I write the report mainly describe the experiment.
First, the main purposes is :
1Through the phenomenon of dual cone of observation and thinking along the roll on the incline track to deepen the understanding of objects in the gravitational field is always stabilize the lower center of gravity, regular movement.
2To show the object to the potential energy to move from the high potential location to the low location , meanwhile to show the conversion between objects potential energy and kinetic energy.
Second, the experimental principle is:
The core of this experiment is that the rigid body balance, and freedom of movement of the object under the force of gravity is always balance in the gravitational potential energy of a very small position in the gravitational field. If the object is not in the gravitational field in the potential energy minimum state, the action of gravity, always make it to the potential energy decreases, the direction of movement. This experiment demonstrates the cone in oblique parallel bars free rolling phenomenon, clever use of the shape of the cone, the strong point move in the direction of the cone axis (horizontal) center of mass of cone parallel bars with oblique tilt (vertical) combine the effects of the cone center of mass, horizontal effect as the dominant, or even the performance of unexpected dab normal movement, the cone will be automatically rolls to the upper end of inclined parallel bars, the specific analysis follows:
First look at the balance (the center of the cone to maintain the level) when the cone of position as shown in Figure 1. AA1 side higher, but the AA1 at two rails measured outward tilt cone center of mass to move up, the higher the support, the support points wide and cone because of its intermediate rough at both ends of the fine leaving the center of mass moving down the trend, two trends cancel each other to enable the cone in any location shown in Figure 4 are in equilibrium. If you make AA1 BB1 slightly wider orslightly narrower, the cone will in the AA1 side lower than the in BB1 side centroidposition, it will always scroll to AA1 (high end), from the B-side to A side look at shown in Figure 2.
AA1 side in the width side, the BB1 side in a low and narrow side, if the anchor case of a cone tangent to the position shown in Figure 2 shows, when the cone rolling, center of mass movement in the horizontal plane, the cone is in equilibrium. Set BB1 fixed end, theAA1 side width must only adjust its height, drop the AA1 side there will be a roll on the equilibrium phenomenon. AA1 end up down to the the BB1 side where the horizontal plane, but this time scroll, although obviously, but the "up" is not obvious. Therefore, the width of the experimental device level layout should be appropriate, so that the AA1 sides lightly lower than the equilibrium position, the cone can be auto-scrolling.
Third, the device is:
Double cone, V-shaped bevel track
Fourth, the phenomenon demonstrates
Double cone on the lower end of the V-shaped track (closed end), let go after the cone will automatically roll on this slope to reach the high-end (open end) to stop.
Finally Discussion and Thinking:
A test export when rolling on the cone of uniform density, cone angle, rail angle, the relationship between rail width end of the height difference between the three meet;
2 seeking the right to place the cone and the track (ie, cone riding on the track and its axis vertical and two orbital angular bisector state), along the orbital plane oblique cone center of mass by the size of the force;
3 if placed on a slight tilt (the movement of its axis is not perpendicular to the orbital angular bisector), the cone on the cone and rail, and by the conclusion of experimental test.
During the experiment I found if we make the cone roll too quickly it will drop .of course there is some scientific proof. I will study it next time.
第二篇：大学物理电磁学演示实验实验报告
避雷针
常规防雷电可分为防直击雷电、防感应雷电和综合性防雷电。防直击雷电的避雷装置一般由三部分组成，即接闪器、引下线和接地体；接闪器又分为避雷针、避雷线、避雷带、避雷网。以避雷针作为接闪器的防雷电原理是：避雷针通过导线接入地下，与地面形成等电位差，利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始电离并下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者会合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷效果。实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来并提前放电，将雷电电流通过自身的接地导体传向地面，避免保护对象直接遭雷击。通俗的解释就是：避雷针的作用像雨伞为人们遮雨一样，覆盖着它一定范围内的建筑设施，一旦有雷电进入到了这个伞状的范围，雷电就会被避雷针吸引过来，再通过本体泄人大地，从而使伞状以下的建筑不被雷击。避雷针之外还有避雷线，它是通过防护对象的制高点向另外制高点或地面接引金属线的防雷电，它的防护作用等同于在弧垂上每一点都是一根等高的避雷针。后来发展了避雷带，就是在屋顶四周的女儿墙或屋脊、屋檐上安装金属带做接闪器来防雷电，即如你所说的那种。避雷带的防护原理与避雷线一样，由于它的接闪面积大，接闪设备附近空间电场强度相对比较强，更容易吸引雷电先导，使附近尤其比它低的物体受雷击的几率大大减少。再后来又发展了避雷网，分明网和暗网。明网是在避雷带的中间加敷金属线制成的网，然后通过截面积足够大的金属物与大地连接的防雷电，用以保护建筑物的中间部位。暗网则是利用建筑物钢筋混凝土结构中的钢筋网进行雷电防护，只要每层楼的楼板内的钢筋与梁、柱、墙内的钢筋有可靠的电气连接，并与层台和地桩有良好的电气连接，形成可靠的暗网，则这种方法要比其他防护设施更为有效。
法国易敌雷拥有超过40年丰富防雷器生产和防雷工程经验和一支强大的由法国最著名大学和研究机构组成的工程师队伍，使INDELEC（"易敌雷"） 防雷器成为雷电保护装置的专家。不论在法国以至世界各地，PREVECTRON防雷器经过数十年势不可挡的成功，INDELEC（易敌雷）目前正全力推出其最新研究成果：PREVECTRON（第二代）避雷针。（以下称PREVECTRON 2）
INDELEC避雷针是如何工作的
当雷暴来临时，所产生的能量是相当巨大的（每米达到几千伏），PREVECTRON 2早期预放电防雷器的空气终端从自然界的电场中吸收能量，下端能量收集电极把电能量贮存在 防雷器触发装置内。每当闪电发生前，场强度会迅速增强，当防雷器贮存的能量达到某一水平，空气终端便会把信息输送往防雷器电触发装置，在空气终端的尖端便会产生火花，并使尖端周围的空气离子化，形成尖端放电现象。
INDELEC早期预放电避雷针原理
在空气终端的尖端的离子化可被表征为： 控制离子的释放：PREVECTRON 2早期预放电防雷器的触发装置容许离子在极短的时间内放电， 防雷器触发系统极度的准确性意味着离子可在极准确的时间被释放，换句话说，在主闪电发生前的刹那间。 CORONA效应的触发：大量初始电子的存在，连同迅速增强的电场令自然的CORONA效应触发时间减少。 预期上引放电通道：PREVETRON 2早期预放电避雷针被设计成从其尖端产生一预期上引放电通道，并早于那些邻近高点产生，这就表示着PREVECTRON 2早期预放电避雷针成为了在其保护范围内最有影响力的一点。在实验室测量时，这个触发时间的提前时间被定义为△T，代表了与单一棒比较起来，PREVECTRON 2早期预放电避雷针空气终端的有效性测量更理想。
尖端电晕放电现象
电晕放电是发生在极不均匀的电场中,空气被局部电离的一种放电形式。当前有关电晕放电测试和信号处理主要集中在电力行业,研究对象是电力系统中的高压输电线和高压电气设备的局部放电。国外学者对高压输电线上的电晕放电情况进行了大量的研究,包括电晕放电能量分析、电晕放电引起EMI 的模拟计算和预测、复合导体输电线的电晕放电情况,还建立了输电线电晕放电辐射场的计算模型在航空航天领域, 空中目标在高速飞行过程中, 其外表面会不断遭到气体分子、尘埃、冰晶等空间粒子的撞击, 这些粒子在于空中目标相互接触分离时, 带上某种极性的电荷, 同时在目标上留下等量异号的电荷。电荷积累到一定程度后, 会在其尖端形成电晕放电。电晕放电过程中会产生强烈的电磁辐射, 高压输电线、大型变压器等电力设备都会因此造成经济损失, 而且这种电磁干扰对航空、航天飞行器的安全构成很大威胁。因此, 研究电晕放电辐射场测试方法与技术对高压电力系统、航空航天系统静电危害防护等有着重要的意义。
静电滚筒
静电滚筒实验的基本原理，在电学方面是尖端放电，在力学方面是转动定律。本实验的主要部件是一个绝缘塑料筒和两个电极杆，塑料筒可绕中轴自由转动，两个电极杆安置在滚筒两边，且与滚筒中轴平行，每个电极杆上平行排列着一排垂直于电极杆但指向滚筒切线方向的金属尖端。
当两个针形电极杆间加上高压后，尖端处的电荷面密度最大，尖端附近的电场最强，强电场使尖端附近空气中残存的离子发生加速运动，被加速的离子与空气分子相碰撞，使空气分子电离，产生大量新的离子。与尖端电荷异号的离子受吸引而趋向尖端，最后与尖端上电荷中和；与尖端电荷同号的离子受排斥而飞向远方形成“电风”，即电离的气体流，因此尖端放电所产生的带电粒子流推动滚筒而产生的力矩使滚筒转动。
对静电滚筒小实验的思考
如图，为静电滚筒实验装置的正视图，其中A，B为两并排水平放置的尖针，C为竖直放置的静电滚筒，可灵活绕竖直轴转动。初步的实验现象是：当A，B两端分别接上正负极，加上高电压时，滚筒会顺时针转动；若C为电介质的静电滚筒，则转动得快，若C为导体的静电滚筒，则转动得较慢。
下面谈一下我对这个问题的思考过程。针对上述实验现象，可以提出两种解释假设：一，该现象主要由尖针尖端放电产生的“电风”带动滚筒转动引起；二，该现象主要由尖针与滚筒静电感应产生的电场引起。
首先看一下两种假设对滚筒的顺时针转动这一现象如何解释。如果假设一成立，显然，尖端放电产生的“电风”的确会相对圆心对滚筒产生一个力矩的作用，从而引起滚筒顺时针转动，所以假设一这时与实验未出现矛盾；如果假设二成立，当C为导体的静电滚筒时，A，B之间加上电压瞬间，滚筒表面应该马上会感应出相应的电荷，由对称性，整个滚筒两端受静电引力水平冲外，滚筒处于稳定平衡状态（如下图1），应该不会转动才对，即使给了滚筒一个微小的扰动，由于静电感应的速度极快（达10ˉ9 s），滚筒的稳定平衡状态会很快恢复，滚筒根本转不起来。这时，假设二与实验之间出现了很大的矛盾。
事实上，对于假设二，如果C为电介质的静电滚筒，那么解释起来会出现更大的出入。如上图，A为正极，B为负极，C为电介质的静电滚筒。刚开始时，滚筒会对称性地感应出极化电荷（如上图2），现在给滚筒一个顺时针的微小扰动，由于电介质的极化速度比较慢，滚筒表面局部区域的电荷没有来得及改变，出现如上图3的情形，对称性地分析一下可知，此时滚筒受到总的静电引力产生的力矩恰恰是阻止滚筒顺时针转动的，滚筒应该转不起来才对。可实验事实是，滚筒顺时针转动得很快。这样看来，假设二又遇到了很大的问题，再结合前面的分析，基本上就可以排除假设二了。
以下看一下假设一是如何很好地解释所有实验现象的。前面解释了滚筒的顺时针转动。按照假设一的想法，转动的方向应该与A，B电极的调换没有关系，即滚筒应仍顺时针转动——实验事实是，调换正负极，滚筒仍然顺时针转动，恰好验证了这一点；另外，既然由“电风”带动滚筒转动，那么如果撤去一个电极，只留下一排尖针的话，滚筒应该还是会顺时针转动，只不过转得慢一些而已——探索实验的结果也恰好验证了这一点。
最后，解释一下滚筒不同材料时转速不同的现象。以A正B负为例，
如上图，若C为导体的静电滚筒，根据前面的分析，滚筒表面可以随时看做存在对称的感应电荷，这种静电吸引力有使滚筒恢复稳定平衡的趋势，因而会阻碍滚筒的转动，所以转速会相对较慢。若C为电介质的静电滚筒，根据前面的分析，虽然刚开始运动时会有一个反向力矩阻碍转动，但随着转动的继续，滚筒表面极化的正负电荷“混在一起”，表现出来就好像表面没有极化电荷一样，反向力矩的阻碍作用慢慢消失，所以转速会相对较快。
综上所述，假设一，即尖端放电引起的“电风”是引起静电滚筒实验现象的主要原因，假设二即感应电荷的作用处于次要地位，仅仅影响转动速度的大小。
雅格布天梯
原理：
无论是在稀薄气体、金属蒸汽或大气中，当回路中电流的功率较大时，能够提供足够大的电流，使气体击穿，伴随有强烈的光辉，这时所形成的自持放电的形式是弧光放电。
弧光放电是指呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。
还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。
弧光放电应用广泛。可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。
雅各布天梯是演示高压弧光放电现象的一种装置，雅格布天梯的两电极构成一梯形的两腰，底部间距小，顶部间距大。由于两电极间具有几万伏高压，且能够提供足够大的电流，在相距较小的底部产生较大场强，因而其底部空气首先被击穿，同时产生光和热，即弧光放电。雅格布天梯的底部产生的电弧加热空气，温度升高的空气较易电离, 所以伴随弧光放电产生大量的正负离子，而离子存在的空气击穿场强下降，随着离子热空气上升，其上部的空气也被击穿放电，结果弧光区逐渐上移，就象圣经中的雅各布（Yacob以色列人的祖先）梦中见到的天梯一般壮观。当弧光区升至一定的高度时，由于两电极间距过大，使两电极间场强太小，不足以引起空气进一步的击穿放电，即两电极提供的能量不足以补充击穿空气时的声、光、热等能量损耗时，弧光因而熄灭。此时高压再次将电极底部的空气击穿，发生第二轮弧光放电，如此周而复始，形成实验中的现象。
感想
物理实验是物理学习的基础,虽然在很多物理实验中我们只是复现课堂上所学理论知识的原理与结果,但这一过程与物理家进行研究分子和物质变化的科学研究中的物理实验是一致的.在物理实验中,影响物理实验现象的因素很多,产生的物理实验现象也错综复杂.老师们通过精心设计实验方案,严格控制实验条件等多种途径,以最佳的实验方式呈现物理问题,使我们通过努力能够顺利地解决物理实验呈现的问题,考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的综合能力,加深了我们对有关物理知识的理解.通过一学期的课程,我学到了很多东西.
做大学物理实验时,为了在规定的时间内快速高效率地完成实验,达到良好的实验效果,需要课前认真地预习,首先是根据实验题目复习所学习的相关理论知识,并根据实验教材的相关内容,弄清楚所要进行的实验的总体过程,弄懂实验的目的,基本原理,了解实验所采用的方法的关键与成功之处;思考实验可能用到的相关实验仪器,对照教材所列的实验仪器,了解仪器的工作原理,性能,正确操作步骤,特别是要注意那些可能对仪器造成损坏的事项.然后还要写预习报告,预习报告能够帮助我们顺利完成实验中的各项操作.在写预习报告的时候,我们一般包括实验目的,基本原理,实验仪器,操作步骤,测量内容,数据表,预习思考题等.数据表与操作步骤密切相关,数据表中的栏目排列顺序应与操作步骤的顺序合理配合.这样就可以随时将数据按顺序填入表中,也可以随时观察和分析数据的规律性.刚开始时我们不注意预习报告里的数据表格,将数据随便的记录在一张纸上,结果发现整理数据时会出现很多混乱和错误,尤其是数据比较多的时候,比如在做《用动力学共振法测固体材料的样式弹性模量》实验时,由于实验前未提前设计好表格,数据记录得很随便,很乱,处理时很困难.后来汲取了教训,在实验前根据所要测的物理量和实验步骤设计好数据表格,在实验记录时和处理数据时轻松了不少.实验教会了我们要养成良好的科学的实验习惯.预习思考题,是加深实验内容或对关键问题的理解,开发视野的一些问题,在实验前认真地思考并回答这些问题,有助于提高实验质量.对于不明白的问题或实验原理中一些不明白的地方,可以跟自己的同学讨论一下或查一下相关的资料,实在不明白的地方可以带到课堂上问老师,只有把实验中所有的地方都弄通弄透彻,才能达到实验应有的效果.
预习是做实验前必须的工作,但是做实验的主要工作还是课堂操作.
课堂操作需要我们严格的遵守实验的各项原则,要将仪器放置在合理的位置,以方便使用和确保安全,比如象高压电源的输出端钮应该远离操作者.经常需要操纵或调节的器件,应该放在便于操纵的位置上.一些电学实验仪器部件较多,首先要把这些仪器部件一一放在合适的位置上,然后再连线.实验过程中要严格按照实验仪器的操作要求来操作,所有仪器要调整到正确的位置和稳定的状态,在安装和调整仪器时还不能使用书本这些本身就不稳定的物品做垫块,否则容易造成测量数据的分散性,影响实验质量,并且容易在成实验仪器的损坏.在的过程中,经常会出现一些故障或观察到的实验现象与理论上的现象不符,首先应认真思考并检查实验仪器使用以及线路连接是否正确,不正确的及时进行改正,若自己不能解决,应及时请老师来指导,切不可敷衍过关,草草了事.还有读数,需要有足够的耐心和细心,尤其是对一些精度比较高的仪器,读数一定要按照正确的读数方法并且一定要细心.对于数据的纪录,则要求我们要有原始的数据纪录,它是记载物理实验全部操作过程的基础性资料.而且在实验过程中必须认真地观察实验现象,并做如实的记录.如果发现实验现象与实验理论不符合,或者测试结果出现异常,就应该认真检查原因,并细心重做实验.实验完成后,应把所有的实验仪器恢复到原位,并认真清理实验台.
撰写实验报告和进行问题讨论等也是大学物理实验不可缺少的重要环节.实验报告是对我们的动手能力,写作能力和总结能力的一种锻炼,实验报告也促进我们对实验过程以及所得结论进行更深刻的思考.我们的实验报告应包括实验过程中所出现的实验现象以及对这些现象的解释,实验中所遇到的问题以及解决方法,实验数据的记录以及对数据进行计算并求得最终的结果,验证跟理论值是否相符,误差的大小,最终得出的结论,对实验思考题进的讨论以及讨论的结果和对实验进行的总结.一份认真的,高水平的实验报告才算是为本次实验画上一个圆满的句号.
"加强基础,重视应用,开拓思维,培养能力,提高素质 "是大学物理试验的指导思想;"加深学生对有关物理知识的理解,培养学生正确的科学实验习惯,提高学生的动手能力,观察分析能力和创新能力"是大学物理实验的目的.学大学物理实验这门课程,是对个人能力的一种锻炼,它不但锻炼了我们的细心,耐心,而且使我养成了良好的学习习惯和严谨的学习态度.这一学期物理实验课程的学习,使我受益匪浅.但我也还有很多不足的地方需要改正,比如做实验速度很慢,下学期我们还将学习这门课程,我在以后的课程学习中一定要 注意慢慢改进。