中国大学生物理学术竞赛的实验探究——以超声波泵为例

杨真艳 杨文韬 祝 昆 王利娅

六盘水师范学院物理与电气工程学院 贵州六盘水 553000

本科生的能力培养是本科教育的重中之重，尤其是创新能、团队合作能力的培养。中国大学生物理学术竞赛以辩论的形式开展，在锻炼学生科研素质的同时，也培养了学生的团队合作能力、表达能力、沟通能力。我校一直积极参与省级和西南地区大学生物理学术竞赛，取得了良好的实践成果。组织学生参与学术竞赛，对物理实验课程建设教学也是大有益处的。

尽管各校都在积极备战参与中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament，简称CUPT)，但大多数学者都在针对CUPT对人才培养的探索，极少有研究针对CUPT竞赛的具体的分析及贯穿竞赛的过程。本文以2021年CUPT第16题“Ultrasonic Pump”(中文译名“超声波泵”)为例，分阶段探究CUPT实验对学生能力的培养过程。

1 CUPT简介

中国大学生物理学术竞赛，是中国借鉴国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament，简称 IYPT)的模式创办的全国赛事。比赛重在培养和选拔具有一流水平的青年人才的重大赛事，受到省教育厅的大力支持，是贵州省教育厅行文认定的本科生重要赛事之一。

2 题目理解

CUPT题目共17个，都是开放性的，根据省赛要求定题目，选择自己需要备战的，从而分析和研究。

超声波泵的中文题目为：浸没在超声波浴中的毛细管会像水泵一样工作，将毛细管内的水提升到相当高的高度，解释和探究这一现象。

读题目得出，研究对象是毛细管，条件是在超声波浴中，要使得毛细管会像水泵一样工作的同时研究其高度上升的相关参量。于是可以提出以下问题：(1)当毛细管浸没于超声波浴就会像水泵一样工作？(2)浸没在超声波浴中的毛细管为什么会上升到相当高的高度？(3)毛细管中的水上升高度这一现象与哪些因素有关？如何影响？

对于问题(1)和(2)，可以通过查找资料，设计预实验分析得出结论。问题(3)则是本题目重点需要探究和讨论的问题，毛细管在超声波浴的环境中会像水泵一样，初步猜想，可能会受毛细管直径和超声波浴频率、温度、浓度及时间的影响。

对于超声波泵实验，不同直径的泵水管会导致不同的泵水现象，所以先通过实验确定泵水装置的毛细管直径大小。因泵水管浸入深度不同对实验结果影响较大，所以需进一步探索泵水管的浸入深度。继而研究水泵工作在不同频率、不同温度、不同液体浓度中的泵水现象，分析其规律。

3 实验过程

学生确定需要探究的参量，指导教师指导学生自己设计实验，实验装置及仪器学生自己设计和改进，用到的小零件由实验室统一购买。

3.1 实验装置

一盒直径4mm的有机玻璃，一盒0.9mm的熔点毛细管、水槽一个；KQ200DE型数控超声波清洗器一台(工作频率：40kHz，清水容量3L)，带刻度烧杯一个，电子天平一台，食用盐一包，刻度尺一把，软尺一个。

3.2 泵水管直径和浸入深度的选择

根据题目要求，超声波泵水实验的各项实验条件未定量地选择和确定实验条件，首先在超声波水泵实验中应该选择什么样数值的泵水管直径，学生提出用不同直径的泵水管探究泵水工作高度的变化，同时挑选出适合泵水管浸入超声波浴中的深度。学生经过在泵水管浸入不同深度进行实验，探究在浸入深度的变化差值最明显。最终分析出泵水管在浸入深度在4～6cm范围内时，超声波浴中的毛细管水泵工作最为“活跃”，频率在40Hz与60Hz大小时变化为最大。在实验仪器的制作和泵水管直径和浸入深度的确定实验设计过程，都是学生自己寻找和改进的。锻炼学生动手能力时，使得学生的开放性思维得到训练，同时培养了学生的创新能力。

3.3 影响泵水管高度变化的因素

3.3.1 超声波浴频率对毛细管内泵水高度的影响

在上阶段，学生已经确定了实验的基本条件，现需正式探究第三个问题，影响高度变化的因素。学生已经定了需研究的影响因素，此过程除了反复实验外，还需要有理论支撑。指导老师和学生通过查阅相关文献，得出了以下结论。

超声波浴中的水泵工作是由于波的振动而形成水泵工作。声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比，即：

I

∝

A

f

(1)

由于毛细管浸入超声波浴中液体所给的支持力与液柱产生的压力相等，则支持力

N

与英萨压力

F

平衡。即：

P

=

ρgh

(2)

根据以上公式(1)与液体压强公式(2)在给定常数

k

的情况下得到一个超声波浴中的高度与频率成正比平方关系公式(3)：

ρgh

=

kA

f

(3)

由公式(3)，控制其他量不变，水泵的高度与频率平方是正比例关系。

为了证实和探究频率对泵水毛细管水泵工作高度是否成一定的规律，学生设计20℃为固定的实验温度，用熔点毛细管作为此实验的泵水毛细管，将毛细管浸入深度为5cm的波浴中，依次改变频率的大小为40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、99Hz，记录好水泵工作的高度。记录数据后，学生根据数据利用0riginPro软件拟合可得到图1：

图1 毛细管泵水工作与频率关系线性图

根据所推理出的实验猜想得到如下公式：

ρgh

=

kA

f

(4)

学生根据理论公式，水泵的高度与频率的大小呈现出一个平方关系，但是从图1明显得到实验数据结果并不像公式所推断的规律。在频率为40～50Hz范围内，水泵工作变化相比50～99Hz范围内更加具有规律性，呈现出上升的水泵工作趋势。学生查阅文献分析实际在实验的过程中，当在频率为40Hz时水泵升高后，毛细管内出现水珠挂壁的现象，实验在大量的水珠聚集在一起时，水泵工作很难实现。正因为毛细管内的“阻力”使频率与浸入超声波浴中的水泵工作很难进一步探究与观测。

3.3.2 温度对毛细管内泵水高度的影响

学生已经探究了频率对水泵高度的影响，对于温度是否对超声波浴中的水泵工作有相关影响，学生在频率对超声波浴中水泵工作探究实验的条件下设计添加温度的变量条件。当实验温度为20℃，选用熔点毛细管作为此实验的泵水毛细管，将毛细管浸入深度为5cm声波浴中，依次改变温度的大小，由于超声波清洗仪在升温和保持温度的原因，选择温度在20～34℃的范围内，依次改变频率的大小为40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、99Hz，记录好水泵工作的高度。根据数据利用0riginPro软件拟合可得到图2：

图2 温度不同的水泵工作状态

由图2可知，在频率为40Hz大小时，水泵工作都是持上升的趋势，但是在频率为40Hz水泵工作后，后面频率的大小改变就呈现无规律的状态。根据图像进行分段分析，在频率在40～50Hz范围内时，毛细管内的水泵高度都呈现上升的趋势，在频率为90～99Hz时，水泵高度趋于下降的状态。根据实验过程中水泵的工作情况，由于在频率40～50Hz范围内时水泵上升，毛细管内壁产生水珠挂壁的现象，造成改变频率大小时水泵上不去，所以其他频率段无规律状态。

3.3.3 浓度对毛细管内泵水高度的影响

当温度为23℃，毛细管浸入深度为5cm时，超声波清洗仪中盛2.5L的水，向水中每一次加50g的食盐，记录下初始水泵高度和频率为40Hz、60Hz、80Hz大小的条件下水泵的高度。根据数据利用0riginPro软件拟合可得到图3：

图3 不同浓度超声波浴中频率对水泵工作的影响

根据图3，在第一次实验水泵高度上升后，毛细管内壁附着大量的小水珠，使频率在40～80Hz这个范围内水泵上升时受阻至无法上升。初始高度

H

-40Hz这个频率范围内这段图像可以观察到，频率越大变化越小，在加盐量50～300g范围内，加盐量越多，水泵高度越低。

实验探究部分都需要学生自己设计，并且进行大量实验验证其猜想，将实验结果和理论相结合，分析理论和实际的差距，分析原因和解决问题。再次改进实验方案，这个过程对于培养学生的动手能力、解决实际问题的能力有极大的促进作用。

结语

CUPT比赛对于培养本科生的科研素质有着重要作用，对学生查阅文献、分析文献、知识的运用和实验设计方面都有明显提升效果。除此之外，CUPT的考核方式也适用于其他创新性、开放性实验课程，对推动实验教学有不可或缺的作用。