中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽的實驗探究
——以超聲波泵為例

楊真艷 楊文韜 祝 昆 王利婭

六盤水師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 貴州六盤水 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)隊合作能力的培養(yǎng)。中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽以辯論的形式開展，在鍛煉學(xué)生科研素質(zhì)的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊合作能力、表達(dá)能力、溝通能力。我校一直積極參與省級和西南地區(qū)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽，取得了良好的實踐成果。組織學(xué)生參與學(xué)術(shù)競賽，對物理實驗課程建設(shè)教學(xué)也是大有益處的。

盡管各校都在積極備戰(zhàn)參與中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(China Undergraduate Physics Tournament，簡稱CUPT)，但大多數(shù)學(xué)者都在針對CUPT對人才培養(yǎng)的探索，極少有研究針對CUPT競賽的具體的分析及貫穿競賽的過程。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實驗對學(xué)生能力的培養(yǎng)過程。

1 CUPT簡介

中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽，是中國借鑒國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(International Young Physicists’ Tournament，簡稱 IYPT)的模式創(chuàng)辦的全國賽事。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，都是開放性的，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：浸沒在超聲波浴中的毛細(xì)管會像水泵一樣工作，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，研究對象是毛細(xì)管，條件是在超聲波浴中，要使得毛細(xì)管會像水泵一樣工作的同時研究其高度上升的相關(guān)參量。于是可以提出以下問題：(1)當(dāng)毛細(xì)管浸沒于超聲波浴就會像水泵一樣工作？(2)浸沒在超聲波浴中的毛細(xì)管為什么會上升到相當(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？

對于問題(1)和(2)，可以通過查找資料，設(shè)計預(yù)實驗分析得出結(jié)論。問題(3)則是本題目重點需要探究和討論的問題，毛細(xì)管在超聲波浴的環(huán)境中會像水泵一樣，初步猜想，可能會受毛細(xì)管直徑和超聲波浴頻率、溫度、濃度及時間的影響。

對于超聲波泵實驗，不同直徑的泵水管會導(dǎo)致不同的泵水現(xiàn)象，所以先通過實驗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實驗結(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 實驗過程

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)計實驗，實驗裝置及儀器學(xué)生自己設(shè)計和改進(jìn)，用到的小零件由實驗室統(tǒng)一購買。

3.1 實驗裝置

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

3.2 泵水管直徑和浸入深度的選擇

根據(jù)題目要求，超聲波泵水實驗的各項實驗條件未定量地選擇和確定實驗條件，首先在超聲波水泵實驗中應(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，同時挑選出適合泵水管浸入超聲波浴中的深度。學(xué)生經(jīng)過在泵水管浸入不同深度進(jìn)行實驗，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，超聲波浴中的毛細(xì)管水泵工作最為“活躍”，頻率在40Hz與60Hz大小時變化為最大。在實驗儀器的制作和泵水管直徑和浸入深度的確定實驗設(shè)計過程，都是學(xué)生自己尋找和改進(jìn)的。鍛煉學(xué)生動手能力時，使得學(xué)生的開放性思維得到訓(xùn)練，同時培養(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)確定了實驗的基本條件，現(xiàn)需正式探究第三個問題，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，此過程除了反復(fù)實驗外，還需要有理論支撐。指導(dǎo)老師和學(xué)生通過查閱相關(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而形成水泵工作。聲強的大小與聲速、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)與液體壓強公式(2)在給定常數(shù)

k

的情況下得到一個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。

為了證實和探究頻率對泵水毛細(xì)管水泵工作高度是否成一定的規(guī)律，學(xué)生設(shè)計20℃為固定的實驗溫度，用熔點毛細(xì)管作為此實驗的泵水毛細(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)所推理出的實驗猜想得到如下公式：

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)出一個平方關(guān)系，但是從圖1明顯得到實驗數(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。學(xué)生查閱文獻(xiàn)分析實際在實驗的過程中，當(dāng)在頻率為40Hz時水泵升高后，毛細(xì)管內(nèi)出現(xiàn)水珠掛壁的現(xiàn)象，實驗在大量的水珠聚集在一起時，水泵工作很難實現(xiàn)。正因為毛細(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。

3.3.2 溫度對毛細(xì)管內(nèi)泵水高度的影響

學(xué)生已經(jīng)探究了頻率對水泵高度的影響，對于溫度是否對超聲波浴中的水泵工作有相關(guān)影響，學(xué)生在頻率對超聲波浴中水泵工作探究實驗的條件下設(shè)計添加溫度的變量條件。當(dāng)實驗溫度為20℃，選用熔點毛細(xì)管作為此實驗的泵水毛細(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，水泵工作都是持上升的趨勢，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，毛細(xì)管內(nèi)的水泵高度都呈現(xiàn)上升的趨勢，在頻率為90～99Hz時，水泵高度趨于下降的狀態(tài)。根據(jù)實驗過程中水泵的工作情況，由于在頻率40～50Hz范圍內(nèi)時水泵上升，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水泵上不去，所以其他頻率段無規(guī)律狀態(tài)。

3.3.3 濃度對毛細(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，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水泵工作的影響

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

H

-40Hz這個頻率范圍內(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。

實驗探究部分都需要學(xué)生自己設(shè)計，并且進(jìn)行大量實驗驗證其猜想，將實驗結(jié)果和理論相結(jié)合，分析理論和實際的差距，分析原因和解決問題。再次改進(jìn)實驗方案，這個過程對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、解決實際問題的能力有極大的促進(jìn)作用。

結(jié)語

CUPT比賽對于培養(yǎng)本科生的科研素質(zhì)有著重要作用，對學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析文獻(xiàn)、知識的運用和實驗設(shè)計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、開放性實驗課程，對推動實驗教學(xué)有不可或缺的作用。