楊真艷 楊文韜 祝 昆 王利婭

六盤(pán)水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 貴州六盤(pán)水 553000

本科生的能力培養(yǎng)是本科教育的重中之重，尤其是創(chuàng)新能、團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽以辯論的形式開(kāi)展，在鍛煉學(xué)生科研素質(zhì)的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力、溝通能力。我校一直積極參與省級(jí)和西南地區(qū)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，取得了良好的實(shí)踐成果。組織學(xué)生參與學(xué)術(shù)競(jìng)賽，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)教學(xué)也是大有益處的。

盡管各校都在積極備戰(zhàn)參與中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽(China Undergraduate Physics Tournament，簡(jiǎn)稱CUPT)，但大多數(shù)學(xué)者都在針對(duì)CUPT對(duì)人才培養(yǎng)的探索，極少有研究針對(duì)CUPT競(jìng)賽的具體的分析及貫穿競(jìng)賽的過(guò)程。本文以2021年CUPT第16題“Ultrasonic Pump”(中文譯名“超聲波泵”)為例，分階段探究CUPT實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)過(guò)程。

1 CUPT簡(jiǎn)介

中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽，是中國(guó)借鑒國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament，簡(jiǎn)稱 IYPT)的模式創(chuàng)辦的全國(guó)賽事。比賽重在培養(yǎng)和選拔具有一流水平的青年人才的重大賽事，受到省教育廳的大力支持，是貴州省教育廳行文認(rèn)定的本科生重要賽事之一。

2 題目理解

CUPT題目共17個(gè)，都是開(kāi)放性的，根據(jù)省賽要求定題目，選擇自己需要備戰(zhàn)的，從而分析和研究。

超聲波泵的中文題目為：浸沒(méi)在超聲波浴中的毛細(xì)管會(huì)像水泵一樣工作，將毛細(xì)管內(nèi)的水提升到相當(dāng)高的高度，解釋和探究這一現(xiàn)象。

讀題目得出，研究對(duì)象是毛細(xì)管，條件是在超聲波浴中，要使得毛細(xì)管會(huì)像水泵一樣工作的同時(shí)研究其高度上升的相關(guān)參量。于是可以提出以下問(wèn)題：(1)當(dāng)毛細(xì)管浸沒(méi)于超聲波浴就會(huì)像水泵一樣工作？(2)浸沒(méi)在超聲波浴中的毛細(xì)管為什么會(huì)上升到相當(dāng)高的高度？(3)毛細(xì)管中的水上升高度這一現(xiàn)象與哪些因素有關(guān)？如何影響？

對(duì)于問(wèn)題(1)和(2)，可以通過(guò)查找資料，設(shè)計(jì)預(yù)實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論。問(wèn)題(3)則是本題目重點(diǎn)需要探究和討論的問(wèn)題，毛細(xì)管在超聲波浴的環(huán)境中會(huì)像水泵一樣，初步猜想，可能會(huì)受毛細(xì)管直徑和超聲波浴頻率、溫度、濃度及時(shí)間的影響。

對(duì)于超聲波泵實(shí)驗(yàn)，不同直徑的泵水管會(huì)導(dǎo)致不同的泵水現(xiàn)象，所以先通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定泵水裝置的毛細(xì)管直徑大小。因泵水管浸入深度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，所以需進(jìn)一步探索泵水管的浸入深度。繼而研究水泵工作在不同頻率、不同溫度、不同液體濃度中的泵水現(xiàn)象，分析其規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

學(xué)生確定需要探究的參量，指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置及儀器學(xué)生自己設(shè)計(jì)和改進(jìn)，用到的小零件由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一購(gòu)買(mǎi)。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

一盒直徑4mm的有機(jī)玻璃，一盒0.9mm的熔點(diǎn)毛細(xì)管、水槽一個(gè)；KQ200DE型數(shù)控超聲波清洗器一臺(tái)(工作頻率：40kHz，清水容量3L)，帶刻度燒杯一個(gè)，電子天平一臺(tái)，食用鹽一包，刻度尺一把，軟尺一個(gè)。

3.2 泵水管直徑和浸入深度的選擇

根據(jù)題目要求，超聲波泵水實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件未定量地選擇和確定實(shí)驗(yàn)條件，首先在超聲波水泵實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該選擇什么樣數(shù)值的泵水管直徑，學(xué)生提出用不同直徑的泵水管探究泵水工作高度的變化，同時(shí)挑選出適合泵水管浸入超聲波浴中的深度。學(xué)生經(jīng)過(guò)在泵水管浸入不同深度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究在浸入深度的變化差值最明顯。最終分析出泵水管在浸入深度在4～6cm范圍內(nèi)時(shí)，超聲波浴中的毛細(xì)管水泵工作最為“活躍”，頻率在40Hz與60Hz大小時(shí)變化為最大。在實(shí)驗(yàn)儀器的制作和泵水管直徑和浸入深度的確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程，都是學(xué)生自己尋找和改進(jìn)的。鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力時(shí)，使得學(xué)生的開(kāi)放性思維得到訓(xùn)練，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.3 影響泵水管高度變化的因素

3.3.1 超聲波浴頻率對(duì)毛細(xì)管內(nèi)泵水高度的影響

在上階段，學(xué)生已經(jīng)確定了實(shí)驗(yàn)的基本條件，現(xiàn)需正式探究第三個(gè)問(wèn)題，影響高度變化的因素。學(xué)生已經(jīng)定了需研究的影響因素，此過(guò)程除了反復(fù)實(shí)驗(yàn)外，還需要有理論支撐。指導(dǎo)老師和學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出了以下結(jié)論。

超聲波浴中的水泵工作是由于波的振動(dòng)而形成水泵工作。聲強(qiáng)的大小與聲速、聲波的頻率的平方、振幅的平方成正比，即：

I

∝

A

f

(1)

由于毛細(xì)管浸入超聲波浴中液體所給的支持力與液柱產(chǎn)生的壓力相等，則支持力

N

與英薩壓力

F

平衡。即：

P

=

ρgh

(2)

根據(jù)以上公式(1)與液體壓強(qiáng)公式(2)在給定常數(shù)

k

的情況下得到一個(gè)超聲波浴中的高度與頻率成正比平方關(guān)系公式(3)：

ρgh

=

kA

f

(3)

由公式(3)，控制其他量不變，水泵的高度與頻率平方是正比例關(guān)系。

為了證實(shí)和探究頻率對(duì)泵水毛細(xì)管水泵工作高度是否成一定的規(guī)律，學(xué)生設(shè)計(jì)20℃為固定的實(shí)驗(yàn)溫度，用熔點(diǎn)毛細(xì)管作為此實(shí)驗(yàn)的泵水毛細(xì)管，將毛細(xì)管浸入深度為5cm的波浴中，依次改變頻率的大小為40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、99Hz，記錄好水泵工作的高度。記錄數(shù)據(jù)后，學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)利用0riginPro軟件擬合可得到圖1：

圖1 毛細(xì)管泵水工作與頻率關(guān)系線性圖

根據(jù)所推理出的實(shí)驗(yàn)猜想得到如下公式：

ρgh

=

kA

f

(4)

學(xué)生根據(jù)理論公式，水泵的高度與頻率的大小呈現(xiàn)出一個(gè)平方關(guān)系，但是從圖1明顯得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果并不像公式所推斷的規(guī)律。在頻率為40～50Hz范圍內(nèi)，水泵工作變化相比50～99Hz范圍內(nèi)更加具有規(guī)律性，呈現(xiàn)出上升的水泵工作趨勢(shì)。學(xué)生查閱文獻(xiàn)分析實(shí)際在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)在頻率為40Hz時(shí)水泵升高后，毛細(xì)管內(nèi)出現(xiàn)水珠掛壁的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)在大量的水珠聚集在一起時(shí)，水泵工作很難實(shí)現(xiàn)。正因?yàn)槊?xì)管內(nèi)的“阻力”使頻率與浸入超聲波浴中的水泵工作很難進(jìn)一步探究與觀測(cè)。

3.3.2 溫度對(duì)毛細(xì)管內(nèi)泵水高度的影響

學(xué)生已經(jīng)探究了頻率對(duì)水泵高度的影響，對(duì)于溫度是否對(duì)超聲波浴中的水泵工作有相關(guān)影響，學(xué)生在頻率對(duì)超聲波浴中水泵工作探究實(shí)驗(yàn)的條件下設(shè)計(jì)添加溫度的變量條件。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為20℃，選用熔點(diǎn)毛細(xì)管作為此實(shí)驗(yàn)的泵水毛細(xì)管，將毛細(xì)管浸入深度為5cm聲波浴中，依次改變溫度的大小，由于超聲波清洗儀在升溫和保持溫度的原因，選擇溫度在20～34℃的范圍內(nèi)，依次改變頻率的大小為40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、99Hz，記錄好水泵工作的高度。根據(jù)數(shù)據(jù)利用0riginPro軟件擬合可得到圖2：

圖2 溫度不同的水泵工作狀態(tài)

由圖2可知，在頻率為40Hz大小時(shí)，水泵工作都是持上升的趨勢(shì)，但是在頻率為40Hz水泵工作后，后面頻率的大小改變就呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的狀態(tài)。根據(jù)圖像進(jìn)行分段分析，在頻率在40～50Hz范圍內(nèi)時(shí)，毛細(xì)管內(nèi)的水泵高度都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在頻率為90～99Hz時(shí)，水泵高度趨于下降的狀態(tài)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水泵的工作情況，由于在頻率40～50Hz范圍內(nèi)時(shí)水泵上升，毛細(xì)管內(nèi)壁產(chǎn)生水珠掛壁的現(xiàn)象，造成改變頻率大小時(shí)水泵上不去，所以其他頻率段無(wú)規(guī)律狀態(tài)。

3.3.3 濃度對(duì)毛細(xì)管內(nèi)泵水高度的影響

當(dāng)溫度為23℃，毛細(xì)管浸入深度為5cm時(shí)，超聲波清洗儀中盛2.5L的水，向水中每一次加50g的食鹽，記錄下初始水泵高度和頻率為40Hz、60Hz、80Hz大小的條件下水泵的高度。根據(jù)數(shù)據(jù)利用0riginPro軟件擬合可得到圖3：

圖3 不同濃度超聲波浴中頻率對(duì)水泵工作的影響

根據(jù)圖3，在第一次實(shí)驗(yàn)水泵高度上升后，毛細(xì)管內(nèi)壁附著大量的小水珠，使頻率在40～80Hz這個(gè)范圍內(nèi)水泵上升時(shí)受阻至無(wú)法上升。初始高度

H

-40Hz這個(gè)頻率范圍內(nèi)這段圖像可以觀察到，頻率越大變化越小，在加鹽量50～300g范圍內(nèi)，加鹽量越多，水泵高度越低。

實(shí)驗(yàn)探究部分都需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)，并且進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其猜想，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論相結(jié)合，分析理論和實(shí)際的差距，分析原因和解決問(wèn)題。再次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，這個(gè)過(guò)程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力有極大的促進(jìn)作用。

結(jié)語(yǔ)

CUPT比賽對(duì)于培養(yǎng)本科生的科研素質(zhì)有著重要作用，對(duì)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析文獻(xiàn)、知識(shí)的運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面都有明顯提升效果。除此之外，CUPT的考核方式也適用于其他創(chuàng)新性、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有不可或缺的作用。