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1、科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)一、华夏之光1、明代福船（1 ）简介：福船，是福建、 浙江沿海一带尖底古海 船的统称，其船上平如衡， 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
2、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。科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)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
3、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1、光路可见 吗？科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)（1）简介：在椭圆形的台面上有三个可以沿轨道滑动的有机玻璃容器，容器内分别放置着氯化钠溶液、氢氧化铁溶液以及缔合胶体。台面外侧有一个激光反射源。（2）原理：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 过程中，光线照射到粒子 时，如果粒子大
4、于入射光 波长很多倍，则发生光的反射；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 1100 nm。小于可见光波长（400 nm700 nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。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。此科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)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
5、，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。使电子在不同的金属
6、间转移。科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)手蓄电池 人手上带有汗液，而汗液是一种电介质，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
7、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。科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)（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 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
8、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)。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，交变电磁场驱动金蛋开始缓慢旋转。（2）现象：科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)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
9、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，当转动角速度相同时，绕 z 轴转动的动能最小，科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)
10、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)。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
11、c 旋转。下边求出旋转状态改变的临界旋转角速度，在 UI 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科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)度。当转比 UII 大得越多，金蛋绕 c 轴转动越稳定。这就是金蛋旋转之谜。5、惯性车（1）简介： 本展品以一段铁路为场景，由可以匀速行驶并装有抛球装置的火车以及操作平台构成。当小球被抛出时，小球从火车上的窗口被抛出，过桥之后小球又再一次落到车里。（2）原理：惯性车是用了牛顿第一定律，我们在物
12、理课上也学了。牛顿第一运动定律，简称牛顿第一定律。又称 惯性定律、惰性定律。常见的完整 表述：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。牛顿第一定律给出了惯性系的概念，第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)系只对惯性系成立。因此，牛顿第一定律是不可缺少的，是完全独立的一条重要的力学定律。三、挑战与未来1、双向记忆合金（1）简介：滑动的小船：本展品在一 个圆柱形容器内，容器内有 保持恒温的热水，热水内有 一个金属小船，小船的轮子由 金属弹簧构成 。记忆合金生态虫：本展品在一个圆柱形容器内，容器底有一个金属
13、网，网上有三个螺旋状的金属丝。操作台上有一个开关，摁下可以向上吹热风。（2）现象：滑动的小船：发现小船轮子上的弹簧会在热水和空气切换时压缩和拉伸，带动轮子旋转，从而使小船缓缓行驶。记忆合金生态虫：我们会看到热风向上吹，金属丝自动伸展，停止科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)吹风后，金属丝自动恢复原状，金属丝一伸一缩就像一条虫子。（3）原理：“记忆合金”，即拥有“记忆效应的合金，在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能
14、而自然展开，恢复抛物面形状。2、超导磁悬浮列车(1)简介:展品由一个环形轨道和超导磁悬浮列车模型组成。当工作人员开启列车时超导磁悬浮列车处于悬浮状态（2）原理：超导磁悬浮列车是利用超导磁体使车体上浮，通过周期性地变换磁极方向而获取推进动力的列车。超导磁浮列车除速度快之外，还具有无噪音、无震动、省能源的特点，有望成为21世纪交通工具的主力超导现象是 金属线圈通电后在接近绝对 零度时,电阻消失,电流无限大,这 样安培力就无限大.列车就是 利用安培力悬科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)浮起来的.当然了,现实中我们要做到绝对零度是非常困难的,要花费具大的代价.是极度不经济的.所以超导现象
15、很早就发现了,但是一直没有实际应用.直到近代,随着材料学的发展,科学家们发现一些材料在高于绝对零度的条件下也会发生超导现象.这种材料就称高温超导材料.这个温度相对于绝对零度越高越好,如果能接近常温那就是最好的高温超导材料.现在应用的材料还是很低的的温度,磁悬浮列车的线圈是侵在液氮中的,零下一百多度.不过这想对于绝对零度是很高的温度,技术上已不难实现,才使超导得以实用.3、电磁屏蔽玻璃（1）简介：这是中国科技馆四层 A 厅的“电磁屏蔽玻璃”展品。很多观众在体验这件展品时，都会将手机放入到金属小屋内部，打开门时，拨打手机，手机可以接通；关上门后，拨打手机，手机无法接通，证明了电磁屏蔽玻璃能够屏蔽电磁波。这不正是这道题的答案嘛，相信体验过这件展品的童鞋，绝对是手到擒来！（2）原理：科技馆中的物理知识 孔德源作(下载者可自行删除)实际上电磁屏蔽玻璃是在玻璃的表面镀金属铟、锡、铜离子膜层，形成肉眼看不见的金属膜层，从而达到屏蔽电磁波的效果。四、运动之律1、球吸现象（1）简介：本展项由两个 小展品构成球吸现象 和气流投篮。利用“在气 体和液体中，流速越大的 位置，压强越小”这个知识点，你能否揭开这两件展品神奇现象背后的秘密呢？（2）原理：两个小球之所以可以互相吸引是因为我们所学过的流体压强，即伯努利效应。1726 年，伯努利通过无
