难忘捌拾 | 动脑子,上正途——刘明昊

        我是来自上海中学的刘明昊。因为在第34届上海市青少年科技创新大赛中,我的项目取得了青少年科技创新成果一等奖的成绩,我幸运地获得了叔蘋奖学金87-88期的特等加奖。

我的项目名称是“关于高压下由丝、箔构成的电容器的研究”。能获得这样的奖励,我觉得很侥幸。因为最能概括我的课题的一个词语,就是“失败”。失败,几乎贯穿了我一年半的课题研究全过程,直到最后,我才能够做出还算令自己满意的结果。

在确定课题的时候,我选择了两个当时已经毕业的学长做过的课题。他们的课题是研究比菲尔德-布朗效应。这种效应是说,当一对不对称的电极上,加上直流高压(10kV数量级)时,整个装置会受到一个力。在实验中,电极大多使用铜丝和铝箔,装置受到的力由铝箔极指向铜丝极。如果要搜索这个效应,更常见的译名应该是“别费尔德-布朗效应”。当时的课题留有一些问题没有得到解释,如对称电容器在高压下受到的力,电极上的亮点,以及铜丝的振动等。我尝试在学长课题的基础上,解释这些问题。

虽然说已有基础,但实验一点都不简单。我之前以为这个实验只是比较危险,但现在想来,高电压小电流的实验并不那么危险,危险性相对实验的困难度,算不了什么。我尝试用几个细节来反映我实验中遇到的困难:

1. 实验方案

最开始:铜丝的来源是拆解导线;铝箔的来源是厨房用的锡纸;装置的支撑部分是木头加热熔胶;实验电路就是很简单的电源接样品,加上电流表和等效的高压电压表;测力装置就是杠杆放大加电子秤。

到最后:铜丝的来源变成了某宝;铝箔的来源变成了某宝上的去掉了胶的铝箔胶带;装置的支撑部分变成了3D打印的聚乳酸塑料(中间还用过聚四氟乙烯),上面打印好了1cm间隔的刻度;实验电路加了保护性的10个1MΩ电阻,使用了高压线,整个电路用高压的橡胶绝缘胶带裹得严严实实;只有测力装置没变。

每个改动,都是由不知道多少次的实验失败中,吸取教训而来的。

2. 实验损耗

锡纸一整卷(每次我其实只用2cm左右,损耗主要来源于美工刀无法切割得很平整);绕在一起无法分开来的,从导线中剥离的铜丝若干;烧得变了颜色的10MΩ电阻若干;从中间烧断的铜丝若干;烧焦的木制的装置不计其数;散架无法再用的聚四氟乙烯框架一个(聚四氟乙烯棒实在是太难粘贴了);聚乳酸被烧熔的装置若干;损坏的高压电源一个(大概是电路长时间击穿导致的);学校的普通万用表、台式万用表各一台,自己的万用表两台(自从烧坏了那个台式万用表后,我就不敢找学校借万用表了);在搬运过程中断掉的聚乳酸样品若干。

幸好一般每次实验只损坏一两样东西,否则这个清单可能还要再惨烈几倍。

等到我能够得到可以重复的实验结果时,课题已经快要结题了。我没能回答学长当时留下的那些问题,但我查阅了一些英文文献,就着国外研究的离子推进,使用我的实验数据,写出了这篇得奖的报告。虽然没有达到之前的目的,但我的课题也算是有了一些小成就,对得起我花进去的时间、金钱,以及好心情吧。

说了这么多失败,我还是要说,做课题其实是一件很好玩的事情。当实验成功时,看着电极上出现的蓝紫色亮点,铜丝的振动,闻着空气中臭氧的味道,我确实感到很快乐。当实验失败时,我也苦中作乐:桐木燃烧时的味道很好闻;击穿空气时有时能看到蓝色的,劈啪作响的闪电,有时是弯弯的红色黄色的电弧;铜丝被烧断后,末端会熔成一个小球。从中,我还学会了做木工(其实只是使用锯子和热熔胶枪),学会了简单的3D建模。就算是这样一个大多数时候失败的课题,也能够带来很大的收获。实际上,做课题的专门课,是我当时最盼望的一段时间。如果看到文章的你们有做课题的机会,一定要珍惜好它。

从道理的层面,我从中收获的,可能不是被说烂掉的“坚持不懈”,而是要”多动脑子“。

在做课题的每个周二、周四下午,我开始时都在蛮干。铝箔切不好就重复,样品击穿了就重做,木头烧坏了就拆掉重来。我一直认为,重来就能有好的结果,但我没有意识到,问题不在于我重复得不够多,或者是运气不够好。问题出在实验方案上:美工刀本来就很难平整地切割铝箔,没有保护的高压电实验本来就要击穿,木头本来就容易烧起来。这些问题,不是“坚持不懈”了就能够解决的,而是要通过动脑子,吸取教训,从改变实验方法入手,从根源上解决问题。现在想来,其实课题中失败是必然的,因为学长的实验方案本来就有一些问题,我对高压电也几乎是一无所知。我当时走的不全是弯路,但我应该从自己的失败中,通过动脑子,来走上正途。这就是做课题给我的最大收获。做课题是这样的,课内学习,乃至人生,不也是这样的吗?

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