物理实验ldquo玩rdquo中

经过一学期的物理实验“玩”中“学”的通识课程学习，我们学习了有关光、波动等相关知识，并进行了小组实验，各个实验中我们都颇有体会与感悟，以下是小组成员印象深刻并且既有趣又有意义的实验，带给大家分享~

一、龙洗盆实验（编辑人：吴佳怡）

授课老师：张雅男老师

实验原理：通过用手摩擦龙洗盆两端的手环，给予龙洗盆一个固定频率的激励源，使其达到共振状态，形成自激振动，并与盆壁反射回来的反射波叠加形成二维驻波，产生大量水花。

Tips：自激振动：是机械系统内部流体由非振动性的激发转变为振动性激发而引起的振动。其振动频率和振幅只取决于系统自身的结构参数。

实验仪器：龙洗盆，水

实验步骤：

①将龙洗盆中装入水。注意，水量不宜过少不然实验现象不明显，也不宜过多，防止实验过程中水花过大溅出盆外。

②用手掌以某一速度，往复摩擦盆两端的手环。

③不断改变手掌摩擦的速度，观察水花的大小变化，以看到最大的水花为止。

实验现象：随着手掌摩擦龙洗盆两端手环速度的改变，龙洗盆中产生的水花大小也随之发生变化。但并不是摩擦速度越快，产生的水花越大，而是以某一速率往复摩擦手环能看到最大的水花。并且，当以匀速率摩擦手环时，可以看到水花的最大高度也稳定在某一位置。而如果在摩擦过程中速度不断改变，则水花也会有大有小。

实验图片：

图1.同学A

图2.同学B

可以看到，同学A和同学B两人摩擦手环产生的水花大小不同。

视频1：龙洗盆

总结：根据改变手掌摩擦手环的速度观察的水花大小可得，当摩擦的速率达到某一特定值时，产生的水花最大，并且通过维持这个速率保持不变，水花大小也维持不变。通过老师讲解，我们得知，这个特定值与龙洗盆系统结构参数有关，通过摩擦使速率达到这个特定值，可以使龙洗盆产生自激振动，并与并与盆壁反射回来的反射波叠加形成二维驻波，产生大量水花。

二、倒流的水（编辑人：林琪）

你是否在电影里看过这样的情节？向前行驶的车辆，为什么车轮是向后转呢？在张雅男老师的带领下，我们复现了这一场景。

实验原理：将水流动的频率，调节到手机与手机录像频率相近，即可获得缓慢流动的水，静止的水，以及倒流的水。

实验步骤：我们通过转接线将手机与巨大的音响连接，音响发出的巨大能量将原本连贯的水柱打散成小水珠。通过改变声波的频率，就可以产生不同频率的水珠。

以30帧录像时，水珠的频率接近30赫兹，即可获得水珠静止的视频。通过调节到31hz，就可以产生水珠倒流的现象。

实验感悟：生活中，车轮倒转的现象也大体如此。车的轮辐转动频率接近拍摄的频率时，就可能观察到车轮静止甚至倒转的现象。上张老师的实验课，不仅通俗易懂，还帮助我们解答了生活中的疑惑。

视频2：倒流的水

三、全息投影（编辑人：李晓彤）

授课老师：崔芬萍老师

实验原理：利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。是一种观众无需配戴眼镜便可以看到立体的虚拟人物的3D技术。其基本原理是:在拍摄过程中利用干涉原理记录物体光波信息，成像过程中利用衍射原理再现物体光波信息，从而能够现物体真实的三维图像。D全息投影技术就像海市蜃楼，一种因光的折射和全反射而形成的虚像二制作材料。

实验仪器：透明塑料薄片，透明胶带，剪刀，笔

实验步骤：

①用塑料片剪出四个大小一样的等腰三角形，再把四个等腰三角形剪去一部分，变成等腰梯形。

②用透明胶带把塑料膜粘贴成金字塔型。

③把手机屏幕打开，将粘合的金字塔形棱台倒在一张全息投影用的图片上。

科学与生活：

当被问及“什么是全息技术”时，可能我们会想到好莱坞大片中那些跨时空对话的场景，可能我们也会联想到初音未来，洛天依等虚拟歌姬的演唱会和live表演。本实验中，我们通过手机作为投影源，将不同角度的影像投射到塑料薄片上，再通过衍射形成虚拟影像。让我们能透过这层全息投影膜看到多个角度的图像。这项技术在一些博物馆应用较多。当然，我们在各种科幻电影中经常能看到，比如：

但这些并非真正的全息技术，而是一种“伪全息”，具体来说，它所借助的实现手段叫做“伪全息成像”（虚拟成像）技术。

实验成果：

我们在小组合作和老师的帮助下每个人都完成了自己的作品，开始的时候在制作上有点手忙脚乱，熟练之后做起来就很快啦，在制作的过程中和看到成果之后，我们都从中体会到了物理与实验的魅力，并且对“伪全息成像技术”有了一些认知和体验。

视频：全息成像

四、会拐弯的光（编辑人：张萌）

授课老师：咸冯林老师

在人们的刻板印象里，光总是沿直线传播的，而今天的实验，打破了人们的定性思维，让“耿直”的光线学会了拐弯。

实验原理：然后我们了解到这是有趣的光的全反射现象，当光由光密介质传播到光疏介质时折射角会比入射角大，当折射角为90°时折射光消失了，只剩下反射光，这就是全反射现象。

实验步骤：实验开始前，我们仅仅准备了打了孔的矿泉水瓶、激光器。简简单单地设备就能使光路“弯曲”。就让我们看看这神奇地实验。实验中，我们将塑料瓶装满水之后在瓶侧身戳一个洞，瓶中的水就会形成一束水流从洞口流入下方的水槽中。这个时候我们用绿色激光笔对准小孔，使激光穿过瓶中的水照在小孔上。

实验现象：我们并没有看到激光笔发出的绿色激光从小孔穿出，而从小孔流出的水流此时散发着绿光，下方的水槽的水中散发着耀眼的绿光。

实验感悟：大自然真是神奇，光沿直线传播的思想早已深深扎根在我们脑中，但是大自然让我们看到了不一样的光，这也给人类带来了不一样的思想，由此产生了许多新的发明，就像神奇的光纤。

视频4：弯曲的光

五、光信号传输相关实验（编辑人：戚如宇）

授课老师：赵静老师

在我们日常生活中，光信号可以说是无处不在。而在历史发展中，从古人的烽火报敌情到今天光纤网络走进千家万户，光信号的传输都在人类的信息传递领域中有着举足轻重的地位。学习和了解光信号传输和相关的电信号转换，对我们的更好地使用我们手中的科技产品具有很好的指导作用。

在本学期的“物理实验玩中学”课程中，我们主要接触了红外线传递光信号这一应用广泛的技术。关于这部分的学习主要可以分为三个部分——“了解红外遥控装置中红外光信号对接收电路中电信号的影响”、“实践经调制的红外信号在空气中所能传递信息的效果”、“将红外信号传输推广到固体介质”

Tip：红外信号传输的原理：

红外遥控系统的主要部分为调制、发射和接收。

红外遥控是以调制的方式发射数据，就是把数据和一定频率的载波行“与”操作，这样既可以提高发射效率又可以降低电源功耗。

红外线通过红外发光二极管（LED）发射出去，红外发光二极管（红外发射管）内部构造与普通的发光二极管基本相同，材料和普通发光二极管不同，在红外发射管两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。

红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。

1.电路实验模块

实验过程：在这个模块中我们进行第一部分的实验。在老师的指导下搭建好电路后，我们通过示波器清晰的观察到接收电路在接收到由遥控器发射的红外信号后电流频率发生了特定的变化（如视频所示）。在这次实验中，我们了解了一体式接收头所能接受到的信号的形式，并且通过观察波形我们理解了比较器在接受装置中的作用。这些都为我们后续的实验学习提供理思路。

视频5：遥控器

2.激光和光纤模块

授课教师：咸冯林

实验过程：在本实验模块中，我们进行了第二、第三部分的实验。第二部分的实验中，我们按照要求搭建了简易的红外发射和接受模块，发射功能由蓝牙音箱引出的音频输出线经调制实现，接收功能则集成在PCB上与功放连接。在观察到以下现象时，模糊的声音让我们意识到复杂的光信号需要干扰更小、传输损耗更小的介质。

视频6：功放

第三部分实验中，咸老师首先讲解了光在不同介质中的折射反射，在用激光进行初步实验后（如下图和视频），进行进一步实验我我们发现，固体介质从棱柱体到圆柱体再到光纤，均有不错的表现。

视频7：激光

实验感想：在进行上述实验的过程中，我们的同学由基础到实践、又浅到深地了解到了红外信号传输和接受的相关知识。我们相信，在经过以上实验和总结之后，我们一定能培养出善于发现的眼睛和善于思考的头脑，对身边更多的物理现象，对大学课本中更多的物理知识有更加深刻的认识和更为虔诚的向往。

六、结课总结

在这门课程中，大家拓宽了物理知识面，扭转了生活中的一些错误认知，提高了自己的动手能力的同时也get到了一些生活小妙招。结课时，大家仍沉迷在实验过程中恋恋不舍。简而言之，这门课充分将“玩”和“学”交织在了一块，让同学们收获满满。

文字编辑：

戚如宇电子信息类

吴佳怡水文与水资源工程专业

李晓彤水文与水资源工程专业

张萌计算机类

林琪大气科学类

图片提供：戚如宇吴佳怡李晓彤张萌林琪

美化编辑：程红柳王莹莹

责任编辑：陈学明