中國大學生物理學術競賽的實驗探究
——以超聲波泵為例

楊真艷 楊文韜 祝 昆 王利婭

六盤水師范學院物理與電氣工程學院 貴州六盤水 553000

本科生的能力培養是本科教育的重中之重，尤其是創新能、團隊合作能力的培養。中國大學生物理學術競賽以辯論的形式開展，在鍛煉學生科研素質的同時，也培養了學生的團隊合作能力、表達能力、溝通能力。我校一直積極參與省級和西南地區大學生物理學術競賽，取得了良好的實踐成果。組織學生參與學術競賽，對物理實驗課程建設教學也是大有益處的。

盡管各校都在積極備戰參與中國大學生物理學術競賽(China Undergraduate Physics Tournament，簡稱CUPT)，但大多數學者都在針對CUPT對人才培養的探索，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實驗對學生能力的培養過程。

1 CUPT簡介

中國大學生物理學術競賽，是中國借鑒國際青年物理學家錦標賽(International Young Physicists’ Tournament，簡稱 IYPT)的模式創辦的全國賽事。比賽重在培養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，根據省賽要求定題目，選擇自己需要備戰的，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管會像水泵一樣工作，將毛細管內的水提升到相當高的高度，解釋和探究這一現象。

讀題目得出，研究對象是毛細管，條件是在超聲波浴中，要使得毛細管會像水泵一樣工作的同時研究其高度上升的相關參量。于是可以提出以下問題：(1)當毛細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管為什么會上升到相當高的高度？(3)毛細管中的水上升高度這一現象與哪些因素有關？如何影響？

對于問題(1)和(2)，可以通過查找資料，設計預實驗分析得出結論。問題(3)則是本題目重點需要探究和討論的問題，毛細管在超聲波浴的環境中會像水泵一樣，初步猜想，可能會受毛細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致不同的泵水現象，所以先通過實驗確定泵水裝置的毛細管直徑大小。因泵水管浸入深度不同對實驗結果影響較大，所以需進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象，分析其規律。

3 實驗過程

學生確定需要探究的參量，指導教師指導學生自己設計實驗，實驗裝置及儀器學生自己設計和改進，用到的小零件由實驗室統一購買。

3.1 實驗裝置

一盒直徑4mm的有機玻璃，一盒0.9mm的熔點毛細管、水槽一個；KQ200DE型數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該選擇什么樣數值的泵水管直徑，學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。學生經過在泵水管浸入不同深度進行實驗，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范圍內時，超聲波浴中的毛細管水泵工作最為“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計過程，都是學生自己尋找和改進的。鍛煉學生動手能力時，使得學生的開放性思維得到訓練，同時培養了學生的創新能力。

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管內泵水高度的影響

在上階段，學生已經確定了實驗的基本條件，現需正式探究第三個問題，影響高度變化的因素。學生已經定了需研究的影響因素，此過程除了反復實驗外，還需要有理論支撐。指導老師和學生通過查閱相關文獻，得出了以下結論。

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)

由于毛細管浸入超聲波浴中液體所給的支持力與液柱產生的壓力相等，則支持力

N

與英薩壓力

F

平衡。即：

P

=

ρgh

(2)

根據以上公式(1)與液體壓強公式(2)在給定常數

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系。

為了證實和探究頻率對泵水毛細管水泵工作高度是否成一定的規律，學生設計20℃為固定的實驗溫度，用熔點毛細管作為此實驗的泵水毛細管，將毛細管浸入深度為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。記錄數據后，學生根據數據利用0riginPro軟件擬合可得到圖1：

圖1 毛細管泵水工作與頻率關系線性圖

根據所推理出的實驗猜想得到如下公式：

ρgh

=

kA

f

(4)

學生根據理論公式，水泵的高度與頻率的大小呈現出一個平方關系，但是從圖1明顯得到實驗數據結果并不像公式所推斷的規律。在頻率為40～50Hz范圍內，水泵工作變化相比50～99Hz范圍內更加具有規律性，呈現出上升的水泵工作趨勢。學生查閱文獻分析實際在實驗的過程中，當在頻率為40Hz時水泵升高后，毛細管內出現水珠掛壁的現象，實驗在大量的水珠聚集在一起時，水泵工作很難實現。正因為毛細管內的“阻力”使頻率與浸入超聲波浴中的水泵工作很難進一步探究與觀測。

3.3.2 溫度對毛細管內泵水高度的影響

學生已經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影響，學生在頻率對超聲波浴中水泵工作探究實驗的條件下設計添加溫度的變量條件。當實驗溫度為20℃，選用熔點毛細管作為此實驗的泵水毛細管，將毛細管浸入深度為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，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。根據數據利用0riginPro軟件擬合可得到圖2：

圖2 溫度不同的水泵工作狀態

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無規律的狀態。根據圖像進行分段分析，在頻率在40～50Hz范圍內時，毛細管內的水泵高度都呈現上升的趨勢，在頻率為90～99Hz時，水泵高度趨于下降的狀態。根據實驗過程中水泵的工作情況，由于在頻率40～50Hz范圍內時水泵上升，毛細管內壁產生水珠掛壁的現象，造成改變頻率大小時水泵上不去，所以其他頻率段無規律狀態。

3.3.3 濃度對毛細管內泵水高度的影響

當溫度為23℃，毛細管浸入深度為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。根據數據利用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

根據圖3，在第一次實驗水泵高度上升后，毛細管內壁附著大量的小水珠，使頻率在40～80Hz這個范圍內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，加鹽量越多，水泵高度越低。

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

結語

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