书城科普物理的妙趣
10601500000013

第13章 有趣的物理实验(3)

这是因为你在镜子中看到的字是正确的,所以在纸上写的字就是倒过来的。在这个实验中所写的字,除了原本就是上下对称的字(上下两边都一样),如口、田等字,其他字应该都是颠倒的。

平面镜成像是由于光的反射形成的。物体发出的或反射的光照射到镜面,镜面又将光反射到人的眼里,而人眼感觉光是沿直线传播的,人便感到在镜子里有物体的像,当然这个像是不存在的虚像。

光线也会绕着走

光的衍射效应最早是由意大利物理学者弗朗西斯科·格里马第于1665年发现并加以描述,他也是“衍射”一词的创始人。这个词源于拉丁语词汇,意为“成为碎片”,即波原来的传播方向被“打碎”、弯散至不同的方向。

光在传播路径中,遇到障碍物时,会绕过障碍物,产生偏离直线传播的现象,称为光的衍射。光栅,又称为衍射光栅,是一种分光用的光学元件,它是由许多平行、等距、等宽的狭缝构成的。它们每毫米内一般有1200条狭缝。过去制作光栅都是在精密的刻线机上用钻石在玻璃表面刻出许多平行等距的刻痕作成原核光栅,后来随着激光技术的发展,又制作出全息光栅。

下面我们来看看衍射光栅对光的影响。

准备一块棉布手帕、一盏台灯,移开灯罩。站在距离发亮的灯泡约两米远的地方,透过拉紧的手帕注视着灯泡,你会看到一道模糊的黄橙色星状放射光带出现在灯泡的四周。

这是因为当一束平行光垂直入射到光栅表面时,光线通过每一条狭缝之后都将产生衍射,缝与缝之间的衍射光线又将产生干涉。

在这个实验中,手帕起到了衍射光栅的作用,会分解入射光线的颜色。布料纹路的空隙也可以分离光线,但这种空隙太大,无法像光通过金刚石刻出的衍射光栅那样将光谱全部分离出来。星状放射图案的产生,是由于光线的投射方向弯曲或改变。

判断电池的哪一端是正极

如何知道电池的哪一端是正极呢?下面这个实验会告诉大家。

首先准备一张铝箔纸、一节干电池、一颗生的马铃薯、两枚回形针、两枚硬币、一团钢丝球(未粘过肥皂和其他的洗涤剂)、一卷胶带纸,还有一把剪刀、一枚大头针。

把东西准备好之后,用铝箔纸剪出一张40厘米×20厘米大小的长方形纸片。

把铝箔纸宽20厘米的那一边对折5次,形成一条长40厘米的细纸条。

再将铝箔纸条剪成两条长20厘米的细纸条。

用钢丝球摩擦硬币,使硬币的表面变干净。

将两条铝箔纸条的一端分别与电池的正极和负极相连,铝箔纸条的另一端则分别缠绕在两枚硬币的一半上。用回形针将硬币与铝箔纸条夹好。

然后,将马铃薯切成两半(可以请大人帮忙)。

将硬币未缠绕铝箔纸条的部分嵌入马铃薯,小心别让铝箔纸条掉下来。在硬币与电池的正极连接的位置,插入一根大头针来做记号。

一个小时以后,把硬币取出来。观察马铃薯中插入硬币的两个小孔。你会发现在马铃薯上,在与电池的正极连接的硬币所在的小孔周围是绿色的。

这是因为,当硬币与电池的正极相连时,电流会使硬币中的铜离子带正电。

当带正电的铜离子与马铃薯内带负电的颗粒结合时,就会形成一种带铜离子的化合物,它是绿色的。

所以你可以用这个实验来确认任何一节电池的正极。

电流计检验电流的大小

相信大家都听说过,电流会产生磁场,下面我们就来做这样一个实验。

首先准备好一张长方形的铝箔纸(50厘米×30厘米)、一个指南针、一只硬纸盒(指南针可以放入)、一把剪刀、一节干电池。

接下来把铝箔纸短的一边对折5次,形成一条长50厘米的纸条。将指南针放入硬纸盒中。

把铝箔纸条一圈圈缠绕在硬纸盒上,铝箔纸条的两端分别剩约5厘米。

然后一边转动盒子的位置,一边观察指南针,使铝箔纸条为南北走向。再把铝箔纸条的一端与电池的负极相连。

一边将铝箔纸条的另一端与电池的正极接触,一边观察此时指南针上的磁针的变化。然后再将铝箔纸条移开。重复这一步骤多次。

你会发现:当铝箔纸条与电池的正极接触时,磁针会偏转。当铝箔纸条与电池的正极断开时,磁针则会恢复到原来的南北方向。

电子会从电池的负极流出,经过铝箔导线再回到电池的正极,形成一个电流通路。电流会产生磁场。

由于铝箔纸条的朝向是南北方向,当电流通过铝箔纸条时,会产生一个东西向的磁场。因此,电流产生的磁场会使原来南北向的磁针发生偏转。

这也说明电流正在通过铝箔纸条。铝箔纸条上通过的电流越大,所产生的磁场也就越强。所以根据电流会产生磁场的原理而设计的一种磁电式仪表,就是电流计,它可以用来探测和测量微小的电流。

自己动手做验电器

电子也是会移动的,下面我们来通过实验证明一下。

首先准备一张铝箔纸(越薄越好)、一只广口玻璃瓶(1升)、一只能盖住玻璃瓶口的软塑料瓶盖、一枚大回形针、一把尖嘴钳、一块橡皮泥、一把剪刀、一只圆气球、一支铅笔。

用铝箔纸剪下两张l×5厘米大小的铝箔纸片。在两张铝箔纸条的末端,用铅笔的笔尖各穿一个洞。用尖嘴钳把回形针改造成上端是一个圈、下面有两个交叉的挂钩的形状。

将软塑料瓶盖的中央戳一个洞。将改造过的回形针穿过塑料瓶盖中央的洞,再用橡皮泥把塑料瓶盖上的缝隙堵住。把两张铝箔纸片分别悬挂在回形针的两个挂钩上。

将塑料瓶盖盖在玻璃瓶上。再把气球吹鼓,然后将气球在你干净、干燥且没用过发油等油性护发用品的头发上摩擦几下。

然后将气球靠近塑料瓶盖上的回形针,但不要与之接触。你会发现,当气球靠近塑料瓶盖上的回形针时,两张铝箔纸片会互相远离。

这个实验所制作的仪器就称为验电器。当回形针处在带电区域中时,铝箔纸片就会互相远离。

头发上的电子被摩擦到气球上,使气球表面带负电。将带负电的气球靠近回形针时,回形针上的电子就会因为同性相斥而远离气球表面。电子会沿着回形针下行并在铝箔纸片上聚集。同样的,带有负电的两张铝箔纸片又会因为同性相斥而互相远离。

会自动靠近和远离的气球

物体之间的相斥或相吸是因为所带的电荷不同。

准备两只圆气球、一卷胶带纸、一团线、一支签字笔。

把两只气球都吹鼓并扎紧气球口。用笔在两只气球上分别写上1、2。

将线对半剪成两根,分别用一根线绑在一只气球上。把两根线的另一端用胶带纸分别粘在门框上,两只气球之间距离18厘米。

将1号气球在你的头发上摩擦几下,然后轻轻放开,观察气球的情形。

注意,你的头发必须是干净、干燥而且没用过发油等油性护发用品的。

将两只气球分别在你的头发两侧摩擦大约10次,然后轻轻放开两只气球,观察气球的情形。

你会发现,当你只摩擦一只气球时,两只气球会相互吸引粘在一起;当你同时摩擦两只气球后,两只气球则会互相远离。

这是因为,物质是由原子构成的。而在原子里,带负电的电子绕着带正电的原子核作有规律的高速旋转运动。

当气球和头发摩擦的时候,头发上的电子被摩擦到气球上,使气球带负电。当你只摩擦1号气球时,被摩擦的1号气球会带负电。

由于同性相斥,未摩擦的2号气球上带负电的电子会远离1号气球,所以2号气球靠近1号气球的部分则带上较多的正电荷。

由于异性相吸,2号气球带正电的部分和1号气球带负电的部分互相吸引,就会粘在一起。

当你同时摩擦两只气球的时候,两只气球均带上了负电,由于同性相斥,两只气球就会互相远离。

由于气球之间这种相吸或相斥的力量足够大,所以它们能自动吸引或远离。

磁针运动

取一根缝衣针,稍微抹一点黄油或猪油,小心放到盛着水的容器里,这样就可以让针浮在水面上。然后,找一块磁铁,只要是一个马蹄形的小磁铁就可以,然后把它靠近水面浮着针的碟子,这时候碟子里的缝衣针就会往磁铁的那个方向游去。

如果先用磁铁的一端顺着同一个方向摩擦几次缝衣针(不是来回摩擦),再把缝衣针放到水面,实验的效果会更加明显。因为这之后,缝衣针本身就变成了一个磁铁,带上了磁性,这时候即使拿没有磁性的普通的铁块靠近碟子,缝衣针也会游动起来。

用带磁性的缝衣针可以进行许多有趣的实验。把它就这样放在水面,不需要拿铁块或磁铁靠近碟子。

这时,水里的磁针会固定地指向一个方向,也就是由北指向南,就像指南针一样。

转动杯子,磁针也会还是指向原来的方向,一头朝北,一头朝南。这时候把磁铁的一端(一极)靠近磁针的一头,你会发现,磁针并不一定会被磁铁吸引过去。它可能被排斥开去,而使它的另一头靠近磁铁。

这就是两块磁铁的相互作用:同极(南极和南极,或北极和北极)相斥,异极(南极和北极)相吸。

明白了磁针运动的原理以后,制作一艘简单的纸船,把磁针藏在船舱里。

现在你就可以让那些不明底细的同学们大吃一惊了:只要把一块磁铁藏在手里,不要被你的观众们看到,然后,不需要碰到纸船,只用手势,你就可以控制纸船的航行方向了。

摩擦起电

即使你对电学方面的知识知道的很少,你也可以进行一系列有趣的电学实验,这对你今后熟知这一自然界的奇妙力量是大有益处的。

在冬天里做这些电学实验是最好的,而且要在有暖气的房间,因为这种实验在干燥的房间才能顺利完成,而冬天加温后的空气要比夏天同等温度的空气干燥得多。

现在开始进行实验:拿一把普通的塑料梳子顺着干(要完全干)头发梳下来。

如果你在温暖又安静的房间里做这个实验,你就会听到梳子发出轻微的劈啪声。这说明你的梳子通过与头发的摩擦带上了电。

塑料的梳子不仅能通过和头发摩擦起电,如果用干燥的毛毯(一块绒布)摩擦梳子,梳子也会带上电,而且电量更大。

检验梳子的这种特性有很多方法,最简单的是拿梳子靠近轻的物体,比如纸屑、谷壳、小果核等,它们都会受到梳子的吸引而被提起来。

折几艘纸船,把它们放在水里,你就可以用带电的梳子指挥你的纸质舰队了,就好像拿着一根“神奇的”指挥棒。

实验还可以更加有趣。把鸡蛋放在一个(干燥的)小酒杯里,鸡蛋上面水平横放一根长尺,让尺子保持平衡。然后用带电的梳子靠近尺子的一端,这时候,尺子就会转动起来。

你可以让尺子乖乖地跟着梳子转动,向左转转,向右转转,甚至可以让它绕圈圈。

不仅塑料的梳子能够通过摩擦起电,其他物体也有这种特性。

如果把火漆棒在绒布或者你的衣袖(如果你的衣服是绒的)上摩擦,火漆棒就会带电。用丝绸摩擦玻璃管或玻璃棒也能带电,不过用玻璃的话必须在非常干燥的环境,而且丝绸和玻璃也要好好烘干。

还有一个关于摩擦起电的有趣实验。在鸡蛋的两头打两个小孔,对着一端的小孔吹气,让鸡蛋里面的蛋清和蛋黄倒出来。把空蛋壳(两端的小孔用蜂蜡封住)放在光滑的桌子、木板或者大盘子上,用带电的木棒让空蛋壳乖乖地跟着它转动。

如果旁观者不知道鸡蛋是空的,当他看到这个实验(它是著名的科学家法拉第想出来的)的时候,一定会困惑不已。纸环或者轻的小球也会跟着带电的木棒旋转。

会画画的神奇铁屑

铁屑会画画,你信吗?下面我们就来做实验。

准备一个铁钉、一节6伏特的电池、一卷胶带纸、一块正方形的厚纸板、一些铁屑和一把剪刀。

接下来开始动手做实验,用铁钉在厚纸板的中央穿一个洞,把用电线缠绕的铁钉从洞中插入厚纸板,把一卷胶带纸平放,然后把插入铁钉的厚纸板放在这卷胶带纸上。

将电线的一端与电池的一极相连。在纸板上,在铁钉的周围撒上薄薄的一层铁屑。将电线的另一端与电池的另一极相连。观察纸板上铁屑形成的图案。

最后把电线断开,特别注意,如果继续通电,铁钉和电线会变得越来越热。所以一定要断开一根电线,从而使电路断开。你会发现铁屑会在铁钉周围形成像星光一样的放射状图案。

通电的电线四周会产生磁场。当你将电线沿着铁钉密密地绕成圈时,电线占据的空间变小,电线的磁性就会增强。当你将电线的两端与电池的两极相连时,形成电流,电线的磁性也就越强。铁钉会被电线磁化,具有磁性。受到磁力的吸引,铁屑就会形成像星光一样的放射状图案。

纸飞机也可以悬浮空中

如果说纸飞机可以停在空中不动,你信吗?或许你会觉得这绝对不可能,那么我们就来做一下下面这个实验。

准备一枚大头针、一根棉线(约30厘米长)、一张薄纸、一块长条形的磁铁、一把剪刀。

然后剪一段约3厘米长的薄纸作为飞机的机翼。将大头针从纸的中央穿过,一架简易的纸飞机就做好了。

把棉线的一端绑在大头针的针头上。将磁铁放在桌上。磁铁的一小段伸出桌外。把纸飞机放在磁铁伸出来的一端。慢慢地往外拉动棉线,直到纸飞机悬浮在空中。

你会发现,只要纸飞机靠近磁铁,就能一直保持悬浮状态。

两块磁铁之间的磁力大小,取决于磁铁中磁性粒子排列的整齐程度。在尚未接触磁铁之前,大头针中的粒子是随机排列的。当大头针与磁铁接触时,大头针所产生的磁力强弱,取决于大头针中有多少粒子会被整齐排列。

大头针和磁铁都具有磁性。当它们之间的拉力超过纸飞机的重力时,纸飞机就能悬浮在空中了。