一种居里点发动机的设计及其动力学研究

居里点发动机是基于磁性材料相变制成的能量转化器件。本文设计并搭建了一种转动式的居里点发动机并对其动力学行为进行了研究。在给定外磁场中,当本来处于受力平衡的磁性材料(如镍)被加热至其居里点附近时,材料的磁性变化将导致其获得力矩转动起来。本文首先根据镍在加热情况下的磁性变化,对不同种类的镍盘的运动进行了理论分析。进而利用自主搭建的居里点发动机进行实验,验证了理论的预测。经过对所观测到居里点发动机运动规律的总结,给出了使发动机转动更稳定的优化设计方案。     

填充水瓶过程中声音信号的含时变化的研究

采用圆柱管——活塞辐射器式声负载共振腔模型来描述该现象中的水瓶,基于流量守恒、声阻抗的转移等原理推导得到了填充水瓶过程中频率随时间的非线性上升的关系;振幅取局部极大值的频率分量成奇数倍的关系;研究还发现,在填充水瓶的管道传声的过程中存在一个截止频率,即人耳能够清晰听到的最高频率,且该截止频率与共振腔的横截面半径成反...     

引力波观测支持黑洞面积定理

黑洞面积定理表明黑洞顺时演化面积不会减小,这被证明与热力学第二定律相对应.注意到LIGO近来的4次引力波观测数据均来自双黑洞的融合过程,进而本文利用这些观测数据对面积定理进行验证.结果显示该4次观测结果均支持黑洞面积定理.此外,本文也从理论上给出了N个黑洞融合时面积定理的等价表述.     

一个改进的“ 光的折射”实验及由其展开的教学设计

本课题的教学设计是在人教版初中物理教材关于光的折射部分内容的基础上, 以更容易携带且折射率更大、 实验现象更明显的P V塑料板代替教材原实验设计中的水缸来得到光的折射的规律. 并且可以由不同浓度蔗糖溶液中光线的弯曲模拟海市蜃楼的实验引出新课, 吸引学生兴趣. 同时设计了供学生自主实验来探究光的折射的规律及光路可逆的课堂部分, 有助于理解记忆、 激发兴趣、 提升学生的综合素质     

对恒定功率汽车运动过程的分析

在考虑空气阻力的影响下, 对汽车以恒定输出功率加速行驶的过程进行了分析, 得到了汽车运动的微分方程, 且得到其终极速度随着功率的增大而增大, 阻力系数的减小而减小的结论, 进而对该理论进行了数值模拟和进一步讨论, 得到功率越大, 质量越小的汽车, 百公里加速时间越短, 与空气阻力系数无关的结论     

对音叉接触纸张的“低音”现象研究

当振动的音叉与纸张存在较弱接触时可以产生低于音叉基频的声音,即为低音现象.在本研究中对这种低音现象进行了理论分析,采用工程学上的"悬臂梁"模型进行分析,再通过考虑其在简谐激励力下的受迫振动,提出了相应的理论模型,明确了影响低音现象的多种关键因素.对于整个系统的振动过程,在实验中以理论中所推导的因素分别从纸张的长度、厚度、宽度、褶皱程度以及音叉与纸张的接触位置这几个方面进行探究,从实验上对理论模型进行定性的验证.     

旋转球体在空气中的运动轨迹:由2020年北京高考物理14题引发的思考

2020年北京高考物理第14题考查了旋转篮球在空中的运动特征.试后,该题所涉及的偏转力以及对篮球运动状态的判断引起了热议.本文从题目背景出发,首先基于伯努利原理分析了旋转球体相对流体运动时所受偏转力(马格努斯力)的形式.进而,通过建立球在空中运动的动力学方程,具体讨论了旋转球体在不同初始条件下释放后在空中的运动轨迹.本...     

从微观角度再看理想气体的绝热过程

在“ 从微观角度看理想气体的绝热过程”一文中提到了一种从微观角度来计算理想气体绝热公式的推导, 这一推导中的物理本质为气体分子对活塞壁做功的集体效应, 即气体压强的微观解释. 基于这一思考, 从气体分子对外做功的角度给出了相应的推导, 同时发现该文结论在其给定模型下的一个更为直观的解, 与热力学第一定律中的做功项可以更直接地对应, 从而更直接地联系起微观过程和宏观的理想气体状态方程     

一个有趣的热力学问题:硬币何时“翩翩起舞”?

从热力学的角度,本文对2018年国际青年物理学家锦标赛(IYPT2018)的第三个课题跳舞的硬币(Dancing Coin)进行了理论分析.该现象与生活密切相关,描述了一个温度非常低的瓶子上一枚硬币所发生的运动,且这样一个热力学系统可作为一个很好的教学案例,让学生对气体的热化、绝热膨胀等相关热力学过程有直观深入的了解.本文的研究得到硬币弹起时间和系统的热力学量的关系,同时发现,硬币跳舞的时间间隔与系统与环境的温差呈负相关,即硬币跳舞的时间间隔随着系统被环境加热而越来越长,直至无法跳起.进一步研究表明,瓶内气体的初始温度与环境温差越大,最大弹起次数越大;临界压强与大气压越接近,最大弹起次数越大.本文最后通过实验验证了所给理论模型中的假设及其预言的正确性.     

撒克逊碗的下沉临界条件与沉没时间

“撒克逊碗”是一种底部有孔的计时装置。本文以圆柱形撒克逊碗为例,建立了其在水中下沉的物理模型。首先,本文确定了撒克逊碗顺利下沉的临界条件,包括水能涌入碗的条件和碗初释放时出现倒灌现象的条件。然后,本文研究了水涌入碗后系统的动力学过程,推导出碗的下沉时间与碗的几何特征间的定量关系。进一步,本文设计了实验以检验理论模型的正确性。与实验得到的碗下沉时间相比,相应的理论值普遍偏小。将碗下沉过程中受到的黏滞阻力和压差阻力、孔口处淹没射流及水头损失、碗完全浸没前受表面张力的影响考虑在内后,理论和实验的一致性明显增加。最后,本文还引入了壁面函数用于分析形状各异的撒克逊碗的下沉时间。