决赛现场及学生实验
我们倾倒蜂蜜、沐浴露时,这些粘稠液体为什么会旋转、堆积?为什么杯子涂上碳墨后,经光照会发出声音?碳粒麦克风的结构是怎样的?影响水管运动的因素有哪些?
这些在我们生活中看似简单的现象,却蕴涵着丰富的物理知识。如何解释这些现象,成为了全国大学生物理学术竞赛(CUPT)的题目。我校学生连续3届参加该项赛事,与北京大学、复旦大学等近30所“985”高校的学生同场竞技,且全部取得全国二等奖的好成绩,为学生创新意识与实践能力的提高夯下了基石。
培养严谨的科学思维
“CUPT的试题都是与生活相关的开放性物理问题,对培养学生的创新意识和开放式思维,有极大的促进作用。”指导老师钟菊花告诉记者,参赛学生要对17个给定的问题展开一系列理论与实验方面的合作研究,如理论分析、设计实验方案等,决赛时,学生不但要展示自己的研究成果,还要与其他高校的参赛队伍进行辩论,对抗性非常强。在这一过程中,学生需要具备文献查寻阅读与综合分析、自主分析问题、研究性实验、撰写科技论文及团队合作等方面的能力。
“这是一场所有热爱物理的大学生的盛宴。”机动学院的大三学生彭勃,作为队长参加了第四届CUPT,“参赛使我发现,生活中很多复杂的现象是可以运用物理知识来解释的,激励着我不断地用物理的眼光去发现和思考问题。”
彭勃随即举出事例佐证了他的观点。当我们不断倾倒一束细的粘稠液体时(如蜂蜜),常会看到蜂蜜在接触面处卷曲形成圆形线圈的样子,我们该如何解释这种现象呢?“简单地说,这种现象首先涉及到粘稠液体的屈曲失稳,以及进一步的坍塌,直到三维上的叠加,形成‘卷绳效应’。研究的最后,我们发现这种现象竟然是非线性关系导致的对称性破缺的一个典型体现。”彭勃说。
大三的李慧敏曾经最擅长用公式和理论解题,但参加CUPT后,她发现书本上学到的大部分是“理想模型”,并不足以帮助她解决实际问题。“如探究碳粒麦克风的结构并对其性能评价、影响水管运动因素等问题的答案并不固定,而是丰富多彩的,需要靠自己去寻找并设计实验验证,而不是一昧地依赖于课本上的公式。”
物理系大四学生包谷之告诉记者,比赛的对抗性使他对以前许多无所谓的细节问题开始注意起来。包谷之目前正忙于撰写物理实验报告,虽然老师并未作特别要求,他还是下意识地在画图时表明了不确定度,因为“自我要求高了”。
体验科学研究的艰辛
“科研之路没有捷径可走,付出和回报是绝对的线性相关,我们是在用心完成比赛。”彭勃如此描述参加CUPT带给他的感悟。
彭勃负责的一个题目是“滚珠轴承电机的运转机理”,即只要在一套滚珠轴承两端加上电压(大概2 V~3V),再给中间的轴一个初始的扰动,这个轴就可以不停地转下去,其功用相当于一个马达。看似简单的题目,但是光搭建这套装置就很有难度。首先是要找到合适的电源——要承载达到20多安培的电流,这让平时做大学物理实验只用到毫安级电流的彭勃“想都不敢想”;其次是要做出符合要求的轴承装置——彭勃用CAD设计图纸后交给师傅加工,得到的装置接上电源后根本转不起来,这让他感到很沮丧。经过理论推导,彭勃发现,轴承的尺寸越小,装置越容易转起来。于是,彭勃和队友花了一下午时间跑到北京东路购买实验器材,但买到的都是零件,不但需要自己动手组装,还要把轴锯成合适的长度。
“想象中很简单的事情,转化为实际真是超乎想象得艰难。”彭勃说,当他和队友见证电机转起来时,那种感觉是神奇的,“我们都激动得欢呼了起来”。
从初赛到决赛,包谷之已记不清自己做了多少次实验。仅“水上升”这一个实验,包谷之就尝试了很多种方法。所谓“水上升”,即在加有水的托盘中间竖立一根蜡烛,点燃蜡烛再扣上烧杯一段时间后,水会上升到烧杯里。包谷之要对这种现象进行定量分析。由于考虑到用明火点燃蜡烛后再扣烧杯,会因时间差导致实验结果有误差,包谷之尝试遥控点燃蜡烛——把电阻丝绕在烛心上,靠电阻丝发热来点燃蜡烛。
“我们尝试了很多次,但成功率低。反复实验后,我们发现,这跟绑电阻丝的方式、位置、长短都有关系。”包谷之说,反复实验使他体会到科学研究并非一帆风顺。
打开未来研究的一扇窗
参加完在兰州的CUPT决赛后,包谷之回到上海参加了复旦大学的优秀本科生暑期夏令营。在接受导师面试时,包谷之被问到一个问题:请说出5种测量温度的方法。“水银温度计、热电耦、红外呈像、液晶以及水的变化量。”包谷之的快速反应让导师刮目相看,答案则让导师觉得新奇。出色的表现,为包谷之被该导师“内定”为研究生增加了砝码。
“这要得益于参赛时,许多实验的‘苛刻要求’。”包谷之笑谈参加CUPT为自己的未来研究打开了一扇窗。
张越宇,保研为复旦大学硕博研究生;张成龙,保研到北京大学;王华,保研至复旦大学;高粱,直升为本校硕士研究生;黄昊,出国留学……曾经参加过CUPT的许多学生,不约而同地走上了科学研究深造之路,除了学生本身的兴趣和努力外,与指导老师的努力是分不开的。
由于决赛是在8月份,放暑假后,5名参赛学生就留在奉贤校区进行集中训练,钟菊花、顾英俊、章登宏、葛自明等老师每周都会轮流到奉贤校区对学生的阶段性研究成果进行点评和指导。尤其是钟菊花老师,每周都会和学生见面。
老师的努力,既有对学生研究上的指导,也有生活上的关怀。如为方便学生的生活,钟菊花特地从其他办公室找来了冰箱和微波炉,她还叮嘱几位男生晚上护送女生回宿舍等。就是这样一位关心学生的好老师,一碰到学术和研究问题,立马“变脸”,要求严格起来,“大到研究的方向是否切合题意,小到PPT如何排版,钟老师都会给我们指出来。”彭勃说。
“通过这项赛事,我们就是想让学生领悟到,科学不仅仅是公式推导、实验设计和计算机模拟,而是让自己的想法能够正确地表达,并且得到理解和认同。”钟菊花说,无论学生今后是否从事科研工作,都需要这种准确表达自己想法、反应敏捷、坦然应对和虚心接受的能力。
来源:华东理工大学宣传部,作者:张婷