上海交通大学“望科学”分营:格物致知物理营

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  2015年全国青少年高校科学营——上海交通大学“瞭望科学”分营,分为物理营、生物营、计算机营、机器人营和“扬帆深海”船舶专题营。内容涵盖了专题讲座、动手实践与课题研究、校园与实验室参观、素质拓展训练、游泳馆体验、高雅艺术欣赏、中华艺术宫与自然博物馆参观等,活动形式多样、内容缤纷,用生动活泼的方式激发兴趣,使营员们瞭望科学,勇攀高峰。其中,格物致知物理营充分发挥自身学科特点,得到了营员的积极参与和普遍好评。
  活动简介
  格物致知物理营开展了科普报告、参观专业实验室、实践标准物理实验和自主设计实验等多个活动,尤其是其中的实验部分,极大地激起了营员们对科学研究的兴趣和热情。
  整个实验环节分成两部分:其一是由物理与天文系致远物理班的同学向营员介绍他们自主设计的趣味实验,讲述他们在实验中遇到的问题和解决问题所经历的酸甜苦辣。之后同学们指导营员对这些实验进行了亲身实践。
  另一是在物理与天文系的基础物理实验室进行全息摄影、牛顿环观测及自制天文望远镜3个实验,其中自制天文望远镜环节是由营员自行设计制作方案,并完成望远镜的制作。
  活动内容
  物理专题营充分发挥自身学科特点,以神奇的物理实验现象牢牢抓住了同学们的眼球。这些趣味实验或是从生活中常见的现象入手激发营员们的思考,或是要求营员们用简单的工具和材料亲手设计和制作,极大的引发了营员的兴趣。活动中还适当引入竞争机制,增加活动的趣味性。
  马格努斯滑翔机
  将两个纸杯粘在一起,绕上橡皮筋,弹射出去,纸杯就成为了一个滑翔机。这个“滑翔机”巧妙地利用了马格努斯效应——流体力学中因为旋转物体在不同方向上的相对流速差而导致压力差的效应。类似的现象就是足球场上的香蕉球及乒乓球台上的旋转球。道理看上去简单,但把效果做好并不容易。同学们不断尝试不同的发射方式,试图找到飞得最远、留空时间最长的发射方式,有的同学甚至尝试将多个滑翔机连接到一起发射。
  易洒的咖啡杯
  当人们端着咖啡杯的时候,经常苦恼的一件事情就是尽管很小心地端着咖啡杯,但在行走时还常常将咖啡洒出来,这里面有什么科学机制吗?致远物理班的同学告诉大家这其实是由于受迫振动造成的一种共振现象。虽然在端着咖啡杯行走的时候很小心,但手臂不免还是有微小的振动,如果振动频率合适的话就会造成咖啡杯的共振,微小的影响很快累积起来从而导致咖啡洒出杯子。听完理论讲解后,在一台跑步机上,营员们端着不同大小的装水杯子,以不同的速度运动,探索什么样的情况下水才不容易泼洒出来。
  连通的双气球
  将两个一样的气球吹成不同的大小,再将它们对接起来会发生什么现象呢?是大气球里的气体跑到小气球里面,还是相反?在一般的理论中,气球的弹力造成的压强是跟气体大小成反比的,也就是说气球越大,气球橡胶造成的附加压强越小,从而导致大气球的内部压强比小气球的内部压强要小。于是对接后小气球的气体会跑到大气球里去。但事情真是这样吗?
  在讲解同学的实验中,不仅出现了小气球中的气体跑到大气球中去的现象,也出现了大气球中的气体跑到小气球中去的现象。为什么会这样?原来橡胶是一种高分子材料,它的形变和受力之间的关系并不像前面说的那么简单,在比较小的时候,它所造成的附加压强实际上是随着体积变大而变大的。而当形变到一定程度后,分子间的相互作用力形式又发生变化,附加压强又开始随着体积变大而变大。只有中间大小才像之前理论描述的那样。同学们将各种大小的气体连接到一起,观察它们的变化,间或还能听到不小心将气球吹爆的声音,引起一片笑声。
  如何做一座坚固的长桥
  不使用其他任何工具,将一张A4纸加工成一座长桥,目标是使得桥尽量的长而不倒塌。实验的难点在于桥的不同部分如何稳固地交接在一起,分析哪里是导致桥倒塌的关键之处。同学们想出了各式各样的方法进行尝试,有的将纸折成瓦楞型,有的将纸折成三角形,有的将纸搓成细棒,还有的专门制作了连接固件。最成功的作品长达接近5张A4纸的长度。
  奇妙的环形光
  将激光斜照在一根金属细丝上会出现什么现象呢?讲解同学用视频向同学展示出在地面上会神奇地出现一个圆环。这个实验既包含了几何光学的效应又包含了物理光学的效应。教师还向同学们展示了另外一种类似的现象,当激光打到某些光滑的金属板上时,反射到地面上的是一个光点,而打到另外一些金属板上时居然也反射出了环形光。同学们好奇地做着各种尝试,很快就发现了其中的奥秘:那些能反射出环形光的金属板上其实有着极其细密的纹路。
  自制天文望远镜
  教师先为同学们介绍了基本的光学知识,分析了常见望远镜的基本原理,以及相关参数的计算方式。而对于要制作的望远镜的设计则完全由同学们自行完成。同学们用了各种方法测定镜片的焦距,根据提供的材料设计镜筒的长度、镜片的固定方式、不同镜筒之间的连接等。经过1个多小时的努力,所有小组都成功地完成了望远镜的设计。
  同学们拿着望远镜到处观看,测试自己所制作的望远镜的效果。有的同学还自豪地在望远镜上签上了自己的名字。原本实验中还要利用自制的望远镜观测太阳黑子,可惜天公不作美,实验的当天一直天阴,于是教师向同学介绍了几种利用望远镜观测太阳黑子的方法,等待天气好了同学们可以自己去观测。
  活动总结
  完成这些实验需要学生自己动手设计实验方案,自行用一些普通的材料自主使用仪器,再完成实验过程并进行实验分析。所选择的实验贴近生活,又有趣味性,一方面激发学生做实验的主动性,一方面能够让学生体会物理实验中需要考虑的各个方面细节及其必要性。这样能更好地让学生体验如何做好物理实验,增加其成就感,增强对科学的兴趣。
  “这次夏令营,为我开启了瞭望的起点。在前人搭建的‘瞭望塔’上,我看到了面前科学之海的广阔与美丽,却也明白我所见的都只是这海域的渺小一隅。感到幸运,因为我们生来便能够登上历代科学之人层层搭建的瞭望之塔;感到幸运,因为我能在上海交大这片处处流溢着知识芬芳的科学花园点亮我探索之旅的起点;感到幸运,因为即使所学尚浅,即使一己之力绵薄,我已决定不断攀登更高的‘塔’,做个瞭望科学大海的人。
  我满怀期待地开启全新的旅程,正如牛顿的另一句名言所说的那样——瞭望科学,你我都同站在巨人的肩膀上!”
  ——河南师范大学附属中学 李慧
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