实践活动手册

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J I A O T O N G

UNIVER SI TY 2024

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工 程

985

平 台 建设高校

学科

探索

北京交通大学物理演示与探索实验室现有面积700平方米，其中室内面积500平方米，分为4个实验室，另

有科学走廊和展厅200平方米。实验室内容涉及力学、热学、振动、波动、电磁学、光学、近代物理等领

域近300项。实验室是全国首批大学物理实验教学示范中心，曾荣获国家教学成果特等奖。作为全国科普

教育基地、北京市科普教育基地，实验中心每年接待多人次的科普参观及交流活动。

年始建，前身为北京交通大学物理实验室

年被评为北京市先进实验室

年首批通过北京市“合格实验室”评估

年底北京交通大学开始建设国家工科物理教学基地，随后整合大学物理实验、近代物理实验、演

示与探索实

验和光信息科学与技术专业基础实验等物理实验教学资源，成立物理实验中心

年教学基地被评为国家级优秀工科物理基地

年物理实验中心先后被批准为首批北京市和国家级实验教学示范中心建设单位

年北京交通大学物理演示与探索实验室被认定为全国科普教育基地

学科探索

图1 图2

A

图3

图4

学科探索

图5

茹科夫斯基凳是理论力学课程的一种实验装置，其名称来源于原苏联理论力学教材。茹科夫斯基凳是一种可绕垂直

轴自由旋转的转台。站立在转台上的人改变手握哑铃的双臂位置，使转台和人所组成系统的惯性矩发生变化（图

1）。沿垂直轴的重力不构成绕转轴的力矩。如阻尼力矩也忽略不计，则绕转轴的外力矩为零，系统的动量矩守恒。

演示过程中利用双臂的不同位置以改变惯性矩 J 。动量矩 L 为常值时，角速度 ω 与惯性矩 J 成反比：

图6

物体具有从势能高的位置向势能低的位置运动的趋势。

A.双圆锥体的重心在锥体的外部，不在锥体上

B.在双圆锥体上滚的过程中，锥体的重心在向上运动

C.双圆锥体上滚实验中，虽然看到的现象好像是锥体在上滚，但是从侧面观察的话锥体重心其实是下移的

D.当双圆锥体在轨道的最低处时，它的重心在最低处：当双锥体在轨道最高处时，它的重心在最高处。

图 9 表示握哑铃人的 3 种姿势: (a) 双臂平举，(b) 双臂收缩至胸前，(c) 双臂下垂。当状态 (a) 转变为状态 (b) 或 (c)，

即双臂平举变为双臂收缩或下垂时，惯性矩 J 减小，转速 ω 升高。反之，如状态 (b) 或 (c) 转变为状态 (a)，即双臂

收缩或下垂变为双臂平举时，惯性矩增大，转速降低。类似现象已成为芭蕾舞或冰上舞台上常见的经典舞蹈动作。

图7

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图8

直升机主要由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发

动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动，也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。

科里奥利(Coriolis, Gustave Gaspard de)，法国物理学家。1835年，他着手从数学上和实验上研究自旋表面上的运

动问题。地球每24小时自转一周。赤道上的一点，一天内行进25000英里，因此每小时大约向东行进1000英里。在

纽约纬度地面上的一点，一天只需行进19000英里，向东行进的速度仅约为每小时800英里。由赤道向北流动的空

气，保持其较快的速度，因此相对于它下面运动较慢的地面而言会向东行进。水流的情况也是一样。因此，空气和

水在背向赤道流动时好像被推向东运动，反之会向西运动，推动它们运动的力就称为科里奥利力。这种力不是真实

存在的!只是“惯性”的表现而已。正是这种“力”造成了飓风和龙卷风的旋转运动。研究大炮射击、卫星发射等技术问

题时，必须考虑到这种力。

科里奥利也是对动能和功给出确切的现代定义的第一个人。他把物体的动能定义为物体质量的二分之一乘其速度的

平方，而对某物体所做的功等于作用力乘其克服阻力而运动的距离。

图9

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迈克尔˙法拉第(Michael Faraday, 1791～1867)，世界著名的自学成才的科学家，英国物理学家、化学家、发明家，

即发电机和电动机的发明者。法拉第于1821年完成了第一项重大的电发明，他成功地发明了一种简单的装置，在装

置内，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机，是第一台

利用电流使物体运动的装置。人们知道静止的磁铁不会使附近的线路内产生电流。1831年法拉第发现当一块磁铁穿

过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应，产生的电流叫感应电流。一般认为法拉第的电

磁感应定律是他的一项最伟大的贡献。而法拉第笼是一个由金属或者良导体构成的笼子，是以电磁学的奠基人、英

国物理学家迈克尔˙法拉第的姓氏命名的一种用于演示等电势、静电屏蔽和高压带电作业原理的设备。

图11

图10

古希腊是西方电磁学的发源地。2500年前左右，古希腊哲学家塔勒斯在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒

摩擦琥珀之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。

学科探索

我国的带电作业技术起步于20世纪50年代，当时正处于国民经济恢复和发展的初期。由于发电量迅速增长，电力设

备明显不足，大工业用户对连续供电的需求日益严格，常规的停电检修因而受到限制。当时，我国最大的钢铁基地

鞍山，停电尤为困难。为了解决线路要检修而用户又不能停电的矛盾，当时称之为“不停电检修技术”开始得到发展

与应用。

带电作业根据人体与带电体之间的关系可分为三类：等电位作业、地电位作业和中间电位作业。

图12

光栅（Gratings）是由一系列等距平行刻线组成的光学元件，它是利用光的衍射和干涉原理进行分光的一种

色散元件，被广泛应用到生化仪器、光谱仪器、分光光度计等相关产品上或相关领域中。

光栅有透射式和反射式两种，反射式光栅常被应用到光谱仪上，每条等宽且平行的线槽有着光学狭缝的作用，每毫

米刻线会有1200条、1800条、2400条等，整块光栅上就会有数十万条刻线，这样就起到有效分光的作用。一般的

反射式光栅，因光栅衍射中没有色散能力的零级衍射的主极占有80%的衍射光强，伴随主极极次增高致使光强变弱，

故把线槽刻划成锯齿形而使其具有定向闪耀的能力，这样就可把能力集中分布在所需要的波长范围。从制作方法上

可分为刻线光栅和全息光栅，刻线光栅是刻划机在反射面上刻线而成，而全息光栅是通过激光干涉照相法制作而成。

透过光栅镜观察到白炽灯的光谱是连续谱线 图13 透过光栅镜观察到氦灯的光谱是分立谱线