城市夜間五彩繽紛的霓虹燈怎樣發光？

國產大飛機C919如何順利起飛？

冬日裡身上的靜電怎樣塑造一顆“爆炸頭”？

在浙江大學紫金港校區，

有一座剛剛啟用的物理演示實驗室，

可以在寓教於樂中回答這些問題。

讓我們一起跟隨浙江日報的記者，

一起去一探究竟吧！

研究人員向參觀者展示錐體上滾實驗

浙江大學物理演示實驗室擁有280平方米的展教面積，內設有“光學廳”“力熱聲學廳”“電磁學廳”三個主題展廳。此外，還設有一間具備3D投影的多功能科普報告廳。目前，透過廠家購買，合作研發，自行研製，師生共創，仿製改進和科研成果、學科競賽轉化等途徑，實驗室已有演示實驗儀器超過200件，由於展示空間的限制，廳內現展示100餘件，其餘儀器不定期地輪轉更新。

輝光球：創造神奇的光現象

輝光球實驗

斷虹霽雨，淨秋空，山染修眉新綠。雨水時節，空山新雨後，赤橙黃綠青藍紫，一輪彩虹掛在天空上，在古人看來，彩虹是能入溪澗飲水的神怪，而當下科學界則認為，它是一種大氣光學現象。將思維發散開去，與彩虹有著相似色彩，在夜間鬧市中閃爍的霓虹燈的原理是什麼呢？

在光學廳，我們能找到答案。

沒想到一進門，佈置在門口的萬丈深淵實驗就給了記者一個下馬威。在一塊透明玻璃的覆蓋下，腳踩的地面黑黢黢一片，深不見底，彷彿星新一在小說《喂——出來》中描繪的無底洞，掉落下去悄無聲息，沒有迴音，讓人冷汗直冒。

小心地挪步遠離實驗展臺，一邊等候的研究人員才笑出來。“這個光井其實是利用了光的反射和折射原理。”研究人員笑著稱，萬丈深淵實驗是由半反半透鏡、反射鏡、裝置於它們中間的岩石模型及燈光裝置和地臺構成。當參觀者從地臺表面經過時，向下望去，就會看到半透半反鏡多次反射岩石模型產生的“萬丈深淵”場景。

“在生活中，還有許多有趣的幾何光學現象，它與我們非常近，是物理學離我們最近的風景，可在科普和物理實驗教學的初級階段發揮主要作用。”在光學廳中，有的利用了半反半透鍍膜，有的利用了曲面鏡反射成像，有的利用了光線連續折射，它們以奇妙的光學景象將光的直線傳播、反射、折射、透射規律多樣化地展開，牽動參觀者視角的轉換，激起參觀者思維的發散。

輝光球就是典型的一個實驗。輝光球又稱為電離子魔幻球，它的外觀為直徑約15cm的高強度玻璃球殼，球內充有稀薄的惰性氣體，玻璃球中央有一個黑色球狀電極，球的底部有一塊震盪電路板，透過電源變換器，將低壓直流電轉變為高壓高頻電壓加在電極上。通電後，震盪電路產生高頻電壓電場，由於球內稀薄氣體受到高頻電場的電離作用而光芒四射，產生神秘色彩。由於電極上電壓很高，故所發生的光是一些輻射狀的輝光。

演示伊始，研究人員就將光學廳的光源全部關閉，輝光球在黑暗中綻放出絢麗的光輝，不斷地弧線遊動在球體的內部。研究人員從抽屜中取出日光燈，當日光燈靠近輝光球時，它突然亮了起來。面對這種現象，參觀者顯然很感興趣。

“輝光球和霓虹燈、日光燈的應用原理非常相似。實驗中日光燈會亮的原理，在於輝光球周圍存在一個高壓電場，當日光燈靠近輝光球時，日光燈兩端有一個電壓，兩者中充有稀有氣體，光管裡面的氣體就會發生電離，從而發光。”研究人員說。

接著，研究人員示意記者用手指接觸輝光球，此時球體周圍的弧線變小甚至消失，光線幾乎都集中在手指附近，產生的弧線順著手指的觸控移動而遊動扭曲，並隨手指移動而擺動，美不勝收。

研究人員解釋，當輝光球工作時，在球中央的電極周圍形成一個類似於點電荷的場。當用手（人與大地相連）觸及球時，球周圍的電場、電勢分佈不再均勻對稱，球中心與手之間存在一個極大的電勢差，且球中的氣體已被電離，在球與手之間形成通路，自然就產生了弧線隨著手指起舞的神奇現象。

風洞實驗：飛行器的搖籃

風洞實驗

摸索著從光學廳的轉角走出來，一下子彷彿從黑暗世界中迎來了光明，力熱聲學廳出現在眼前。

一架小巧的飛機模型旁邊圍攏了一圈參觀者，還有人掏出手機從多角度拍攝錄影，彷彿在參觀稀世珍寶。在研究人員的操作下，裝置中的風機給風，嗡嗡的噪音逐漸加大，飛機模型倏忽顫動了一下，隨之騰空而起，飄浮在空中，變成了一架真正的“飛機”，跟著氣流的變化而升高降低，引發驚歎聲一片。

風洞實驗，是以人工的方式產生並且控制氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗裝置。在學術界，風洞被喻為“飛行器的搖籃”，流傳著“有什麼樣的風洞，才能有什麼樣的飛機、飛船、火箭、導彈”的說法。

研究人員說，由於目前的空氣動力學理論發展尚不夠成熟，因此，實驗研究是當前唯一可信的研究手段。設計出一架飛機、一輛汽車或者一枚火箭，為了驗證設計是否科學，需要先做一個小的模型，對其吹風，利用各種實驗技術觀測空氣如何流過模型表面，測量模型表面的速度、壓力以及溫度，繼而再計算出渦量場、熱流場等各種資料。“無論是波音747，還是國產大飛機C919，風洞實驗都是必不可少的。”

力熱聲學廳的奇妙之處不止於此。有的演示透過看似反常的現象使人重新認識基本物理規律，例如錐體上滾實際展示了剛體質心在重力作用下自發下移的過程；又如最速降線告訴我們，兩點之間用時最短路徑的距離不一定最短；蛇形擺則將擺長決定週期的單擺運動做出了有規律的花樣擺動……一切實驗都捉摸不透，卻又有跡可循，給人留下的印象久久不能忘懷。

浙江大學物理演示實驗室負責人鄭遠自豪地說，力熱聲學廳作為自主創新的主要展示區，其中還放有許多學生自主設計製作的演示儀。例如多吸引子混沌電路、旋風小球演示、電暈電機、多邊形渦旋、多級無線充電、人造海市蜃樓、超聲波懸浮等。學生作品連續6年在中國大學生物理學術競賽全國競賽中獲得了3次特等獎和3次一等獎。

浙大物理學系將“以生為本”作為自己的基本教學理念。學生的優秀作品經過教師團隊的完善，可以成為教學研究類論文的主題，也會成為進入實驗課堂的教學儀器。“透過師生的創造力，給演示實驗室以及基礎物理實驗教學帶來源源不斷的活水，形成可持續的發展動力，在前期構建的科研基礎訓練、科研能力訓練和特色專業訓練的專業平臺基礎上增添以演示實驗為載體的新平臺，推動物理演示實驗室跨越式發展進入引領示範新高度。”鄭遠說。

靜電實驗：長髮女生變了髮型

靜電實驗

冬春之交，最是寒風料峭時。一件厚實的毛衣，就可以在凜凜北風中，給人一種溫暖的幸福感。當然，毛衣摩挲帶來的靜電，也讓人有些小苦惱——每逢推門、握手、扶欄杆……我們總是膽戰心驚，生怕靜電“啪”地給手來這麼一下。

剛轉過電磁學廳的轉角，一眼就能看到矗立在壓軸位置的靜電裝置。從外觀看上去，它是一個泛著銀色金屬光澤的大球體，沒有什麼特殊之處。不過現場的科研人員告訴記者，通電之後觸控球體，體驗者的感受將大不一樣。同時，科研人員在裝置的周圍拉了一圈黃色的警戒線。

不出所料，該裝置就是電磁學廳最先演示的實驗。擠在黃線以外的諸多參觀者躍躍欲試，不住向著科研人員招手，企圖當上第一個“吃螃蟹”的人。一位長髮女生成為“幸運兒”。在科研人員的引導下，這位女生很快站上了半米高的絕緣檯，攤開手掌，單手貼緊球體。臺下的參觀者們目不轉睛地看著她，迫切期待著通電後的神奇現象。

在科幻電影中，如果有人觸控靜電裝置，那麼他的渾身毛髮會豎起，頂著一顆“爆炸頭”。在物理演示實驗室的實驗中，卻沒有想象中頭髮一根根豎起，像貓咪“炸毛”一樣的場景。不過隨著該女生左右擺動頭髮，逐漸有部分發絲溜出了“大家庭”，呈輻射狀跑開，讓她擁有如雄獅鬃毛一樣蓬鬆的髮型。離開靜電裝置後，該女生的頭髮仍然亂蓬蓬的，直到一段時間後才聽話地柔順下來。

研究人員說，這個靜電裝置叫做范德格拉夫起電機，能夠透過傳送帶將產生的靜電荷傳送到中空的金屬球表面。人可以站在絕緣的椅子上，用手按著起電機的球形金屬罩。“通常情況下，人是導體，當人接觸靜電裝置時，電荷轉移到人體上，人帶上了與靜電裝置相同的電荷，於是人的頭髮因帶同種電荷相互排斥而顯得蓬鬆豎起。”

電磁學廳

漫步在電磁學廳，展臺上一個有著明暗交替表現的實驗，吸引了許多參觀者的興趣。在一條短短的軌道上，兩個帶有燈泡的金屬線圈相互靠近，燈泡就會亮起，相互遠離則會漸漸變暗直至熄滅。

“這其實就是我們在日常生活中普遍應用的無線電能傳輸技術中的一種。事實上，電磁感應解決方案在技術實現上並無太多神秘感。”研究人員介紹說，初級線圈一定頻率的交流電，透過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。“透過演示將電與磁聯絡起來，不僅表現出電磁之間的相互作用力，還能引出電磁輻射以及其攜帶能量和資訊的概念。”

浙江大學物理學系主任王業伍說：“演示實驗室是一個以教學、交流、互動、演示為主題的綜合實驗教學場所，以及提升科學素質的科普基地。”

眼下，王業伍還有幾個小目標：“我希望物理演示實驗室不僅能把理論和實驗教學緊密結合，將實驗教學引入課堂，同時引導學生參與演示實驗研發和互動教學，培養學生創新能力和協作精神。最重要的是，它可以面向我省中小學生及公眾開放，成為培養大眾科學探索、提升大眾科學素質的視窗，努力成為社會認可的新一座科普基地。”

內容來源：浙江日報2021年2月19日8版（見習記者：何冬健 俞碧寅 通訊員：顏鸝 攝影：俞碧寅）

今日編輯：浙江大學融媒體中心學生記者團 王一媛