第一环节
Hello,各位源清中学的小伙伴们上午好,欢迎来到电力安全体验中心,我是电力科普员楼茜妮,很高兴和大家又见面啦。
听说呢,你们的物理课堂最近在讲电学知识。所以今天特地带大家到电磁展区一探究竟,请各位同学移步。
我们面前的这个实验装置叫雅各布天梯。在古希腊神话中,有个叫雅各布的人梦见自己沿着登天的梯子取得了圣火,而这件装置是爬梯子的高压电,因此得名得名,它的结构很简单,由两根羊角状的电极组成,其中一极接高压电,另一级接地。
好的,接下来请这位穿绿衣服的男生按下按钮。大家观察到了什么?对,两根电极间产生了一小段火光,像圣火一般循环向上爬升。
那这火光是什么呢?
没错,是电弧,它属于气体放电中的弧光放电现象。装置启动后,当两电极间的电压足够高时,本来无法导电的空气就会在电场的作用下被击穿,形成大量的正负等离子体,我们就可以看到一段明亮的电弧了。
那电弧为什么会从底部不断向上攀爬?问得好。
我先给同学们提供一个数据,一般情况下,空气的击穿场强为30kV/cm,也就是要击穿1厘米的空气,差不多需要30kV的电压。2厘米60kV,以此类推。所以为什么每一段电弧都先从下面产生呢?
我看到已经有同学比了一个V字型的手势,没错,因为这两根电极并不是平行的,而是呈现一个V字型的夹角。所以电极距离最近的底部,空气最先被击穿。
同时,因为电弧的温度非常高,可以达到上万摄氏度,而大家都知道,受热的空气膨胀上升,所以电弧就向上走了,随着电弧被拉长,当电压无法维持电弧时,电弧又自行熄灭了。
在这里也给大家留一个小小的思考题,大自然中的闪电也属于气体放电,请你估算,形成一道一千米长的闪电,需要多少伏特的电压?
同学们,最后我们简单回顾一下
弧光放电真奇妙,空气也能把电导。
电弧发热向上升,如同圣火级级登。
远离高压带电体,安全用电记心里。
除了危害要避开,电弧用处猜一猜?
比如生活中的强光电源,医学上的汞弧灯,还有工业里的冶炼、焊接等等,都用到了弧光放电的原理。别看这些技术很平常,但小到一枚芯片,大到一艘航空母舰,中国科技的亮眼成绩单背后,都离不开这些基础科技的有力支持。
“科技立则民族立,科技强则国家强”老师相信,只要带着不断探索的科学精神,并怀着一颗持之以恒的匠人之心,打好基础不断前行,你们也一定会取得自己心中的圣火!
辅导思路
各位评委老师下午好,在绿色驱动主题中,我选择的展品有3项,分别为太阳能飞机、新能源汽车和高铁,辅导对象为中学生。因为随着人们环保意识的不断提高,我们会更加关注这些日常交通工具是如何减少碳排放,保护地球环境的。
在整个辅导过程中,我结合了兰本达的“探究-研讨”教学法,分为4个步骤。
第一步,关联导入
先通过生活案例、热点新闻或者情景故事来导入。起到激发兴趣,吸引注意力的效果,同时也搭建了新旧知识之间的桥梁。我还会抛出一个问题来让观众的思考更加聚焦。
第二步,展品探究
这是辅导中最具参与性和趣味性的环节,每一个展项背后都凝结了科学家的智慧。我没有采取传统的“辅导员操作,观众观看”的模式,而是通过语言,引导观众自主探索,虽然这会花费更长的时间,但我认为,科普辅导不仅要讲解科学知识,更要培养观众探索性的科学思维。
第三步,科学交流
在这一步,我认为不应该是单向输出,而是双向探讨,要给孩子们一个平台分享他们的发现和思考,孩子们的想法就像散落的珍珠,科普辅导员要做的就是挖掘珍珠,串联珍珠,同时也要兼顾语言的科学性和严谨性。
第四步,拓展延伸
好的科普辅导不应该止步于展厅内,而是应该让大家感受到,科学可以给我们生活带来什么?我会通过举例、归纳还有类比的方式引导观众进行延伸和反思。
以上就是我的辅导思路。
雕塑家罗丹说:美本身就存在,我只不过是把它已经存在的东西表现了出来。科普辅导工作亦是如此。谢谢大家。
各位评委老师下午好,我抽到的主题是人体是一个系统,辅导对象为中学生,我选择的展品有3项,分别为五官剧场、人体拼图和健康测试。我将从嗅觉、味觉等机制开始,进一步科普人体重要器官的机能,并带领大家进行有趣的健康测试。
各位评委老师下午好,我抽到的主题是各种各样的电磁波,辅导对象为中学生,我选择将该主题的6项展品,也是六种电磁波一起串联讲解,起到互为对照的效果。了解电磁波的基本原理,不仅有助于我们更好地理解和应用现代科技产品,还可以保护我们的健康与安全。
各位评委老师下午好,我抽到的主题是视觉与经验,辅导对象为中学生,我选择的展品有2项,分别为视觉与经验、是你还是我,整个科普辅导从视觉陷阱的体验开始,再带大家进一步探索半透半反射镜的奥秘。
各种各样的电磁波
欢迎来到绍兴科技馆,我是讲解员楼茜妮,现在我们所处的位置啊,叫作各种各样的电磁波。
首先我想问大家一个问题,光是什么?
光是我们体验这个世界的基础。我们在黑暗中摸索,直到迎来黎明——而对于光本质的理解,我们也同样经历了同样痛苦的过程。
但是,光的确是一种非常难以理解的事物:如果你用一台放大镜将一束光不断放大,你会看到什么?当然光的运动速度是极快的,但究竟是什么东西在运动?面对这样的问题,我们中的大部分人都会觉得难以回答。
有很多种方式可以解释光是什么这个问题,但这个解释或许是最通俗的:光是一种辐射。
有没有人见过彩虹?红橙黄绿青蓝紫。位于彩虹一端的红色光对应的是波长在620~750nm之间的电磁波辐射;而紫色光对应的则是波长在380~450nm之间的电磁波辐射。
但在这些具体可见的颜色之外,还存在着比这多得多的电磁辐射。波长比我们看到的红光更长的光被称作红外光,而波长比我们看到的紫色光更短的光则被称为紫外光。
但对于那些波长比红外光更长,或是比紫外光更短的电磁波,我们就不再将它们以“光”来命名了。
比如波长比紫外光更短的是X射线(X-ray)和伽马射线。在另一端,电磁波的波长也可以远远超出红外波段,其波长达到1厘米甚至是数千公里。这样的电磁波拥有一些我们非常熟悉的名字:微波和无线电波。所以,我们收听广播电台的无线电波和可见光本质上是同一类东西。
古尔利马基斯表示:“从物理学的角度来看,无线电波和可见光之间并没有什么区别。描述它们的方程式和数学方式是完全一样的。”事实上,正是因为我们的日常语言中给予了它们不同的名字,才造成似乎两者是有差异的这种错觉。
我们眼睛能够看到的可见光实际上只不过是整个电磁波中非常狭窄的一小段区域。
这样,我们在日常生活中常说的光,实际上指的是可见光——它是电磁波中非常窄的一个波段范围,也就是我们人眼能够感知到的电磁波波段范围。换句话说,我们所谓的“光”其实是一个非常主观的概念:只有我们看得到的电磁波才是光,我们看不到的就不是。
接下来我们来看看测辐射仪。
凡是高于绝对零度的物体,都在用电磁波的形式不断向外传递热量,这种传递方式叫做辐射。稍微解释一下绝对零度的概念,绝对零度约等于零下273.15摄氏度,这是一个我们只能尽力接近,但永远无法真正达到的温度。所以辐射几乎在我们生活的环境中无处不在。
接下来我们用测辐射仪试试这些样品的辐射剂量。
根据辐射是否引起电离效应将其分为两类——电离辐射和非电离辐射。二者虽一字之差,但性质大不相同。
电离辐射主要是指宇宙射线、高频电磁波和由放射性物质产生的一些辐射。这类辐射一般携带大量能量,足以使物质原子或分子中的电子成为自由态,使这些原子或分子发生电离。因为所有的电离辐射都是一类致癌物,十分可怕。
而非电离辐射则主要由紫外线、热辐射、无线电波和微波等低频电磁波引起。这类辐射在空间中以波的形式,通过同向振荡且互相垂直的电场与磁场来传递动量和能量。非电离辐射能量不高,只会使物质内的粒子震动,温度上升。
在我们日常生活中所接触到的手机电脑等电子设备所产生的辐射就属于非电离辐射。而且,电子设备以及信号基站等都需会遵循相应的国家标准,所产生的辐射能量非常低,并不能使电子发生电离,因此,大可不必过度担心。
做胸透,做CT,我们也会接收到辐射,但由于量很小,不必恐慌。因为研究表明,人每年受到低于100mSv的辐射剂量不会引起癌症发生率的改变。
要知道,我国生活在核电站周围的居民因核电站工作所带来的辐射每年平均为0.01mSv。而且,要相信科技的力量,我国的核电站在辐射方面已经做到了非常非常安全的防护。
而反观大家家里摆放的玉石类家具、摆件、饰品,却可能在黑暗处伸出利爪。这是因为,岩石中有的会存在天然的放射性核素,而这些放射性核素的衰变也会产生放射性物质。
所以,买这类昂贵的物品,一定要找有资质的正规厂家哦。
如果对电磁波感兴趣的朋友,可以搜索光的波粒二相性,以及量子纠缠的相关材料来看,小楼老师等你来探讨~
绿色驱动
欢迎来到绍兴科技馆,我是讲解员楼茜妮,现在我们所处的位置啊,是绿色驱动展区。
讲到绿色,我们就会想到低碳、环保、新能源。大家知道有什么形式的新能源吗?
太阳能、风能、地热能、生物质能、氢能等等都属于新能源。
那我们先来聊聊太阳能,大家肯定都见过光伏板,它是绿色生活的好帮手。光伏板起到的作用是把什么能转换成什么能?
国际太阳能十项全能竞赛:是由美国能源部发起并主办的,以全球高校为参赛单位的太阳能建筑科技竞赛。2022年刚在河北张家口办了第三届。10个国家的29所知名高校的超过1000名学生参加了该项赛事,他们一共在园区内建了15栋零能耗住宅。是不是很有意思?
太阳能除了在建筑里的应用很广泛,其实啊,它还被用到了飞机上。
我们这儿刚好有四架太阳能飞机模型,只不过他们现在静止,请大家大胆猜猜如何动起来?
其实去年我国首个纯太阳能无人机首飞成功,这款无人机的名字叫“启明星50”,飞行高度可达2万米,我们也是全球第三个掌握该项技术的国家。理论上来讲,它们可在空中停留长达数月乃至数年。
先不急看他的图片,如果你是太阳能飞机的设计师,你想把飞机设计成什么样?
首次采用双机身布局的大型无人机,被网友戏称为“晾衣架成精”。
现在科学家想让太阳能飞机长时间飞行,主要在攻克的难题是,如何在储能电池质量约束的条件下,实现飞行器昼夜能量平衡。通俗地讲,也就是太阳能飞机需要在白天往储能电池里存一些能量,以供夜晚飞行,从这个角度考虑太阳能飞机需要配备更大的电池,但是更大的电池也意味着更重的质量,会使飞机的飞行消耗更多能量。这也是太阳能飞机最近热门的研究方向。
而电池,肯定也是每一个想买新能源汽车的人最关心的问题。接下来我们来看看新能源汽车,新能源汽车是采用非常规的车用燃料作为动力来源的车辆。比如电能、氢能等。
相比传统汽油车,它们没有尾气排放,对环境更加友好。但是,它们是如何实现零排放的呢?实际上,电动汽车使用的是电池储存的能量来驱动电机,从而使车辆运行。同时,电动汽车还采用了能量回收技术,当驾驶者踩下刹车踏板时,制动系统会将制动过程中产生的动能转化为电能,并将其存储起来。从而提高能量的利用率。而氢燃料电池汽车则是使用氢气和氧气反应产生电能,其排放仅为水蒸气。这种技术被称为“零排放”,并且可以实现更长的续航里程。
我们再来聊聊充电焦虑问题,在一个德国的博览会上,特斯拉展出了具备太阳能充电功能的新车,确切的来说是一辆太阳能增程器拖车。随着太阳能电池板的展开,特斯拉的增程器拖车实际上似乎可以为车辆提供相当多的能量。显然这款车还是一个原型,不过,这也是一次探索电动汽车行驶更远距离的解决方案,非常有趣。
让我们来看看高铁。高铁最惊人的特点是速度快,它的速度可以达到每小时300公里以上。目前中国的高铁网络已经成为全球最大、最先进的高铁系统之一。高铁使用的是电力驱动,而不是传统的柴油机。所以大家想要绿色出行,就可以选择又快又方便的高铁啦。
有没有人发现,高铁的座位只有ABCDF,没有E呢?
高铁座位其实是根据航空座位法来表示座位的。
早期飞机大多仅有一个通道,每排有6个座椅,分别是A、B、C、D、E、F,这样就形成了AF为靠窗位置、CD为靠走廊的位置,BE为中间位置。
高铁为了和国际接轨,也承袭了这个表示方式。而高铁一排最多5个座位,那么要去掉不影响靠窗或靠走廊的特定字母,从大的字母开始减,所以就没有“E”的座位。
那高铁速度这么快,为什么不需要系安全带呢?
其实,不仅仅是中国的高铁没有安全带,全世界的高铁都没有安全带。
一方面,高速铁路在加速度方面有着严格的控制,保证纵向运动的平稳性;另一方面高铁的两条轨道限制了高铁的运行范围,保证列车在横向和垂向在最小范围内运动。所以我看到有人在高铁窗沿上立硬币,硬币还可以屹立不倒,下次你也可以试试~
最后,这里还有一个高铁的模拟驾驶体验室,有没有想要试试当高铁司机的,你要保护所有的乘客的安全哦。
人体是一个系统
欢迎来到绍兴科技馆,我是讲解员楼茜妮,现在我们所处的位置啊,叫作人体是一个系统。
去年年底的时候,果壳网有一篇8万多人读过的文章,叫作《嗅觉和味觉失灵了,啥时候能恢复?》因为感染新冠之后,除了发烧、咳嗽、刀片嗓之外,有些人还发现自己尝不出菜的咸淡、闻不到味道了!
别担心,多数情况下,这些问题能在数周内缓解。根据研究数据,新冠感染造成的感觉异常,70%-80%的人能在1个月内恢复。
不过,确实有少数人的味觉或嗅觉异常持续了几个月甚至更久。这也是“长新冠”的症状之一。
针对这些异常,目前没有什么好的药物治疗方法,但可以尝试用咖啡、香水等味道重的东西进行嗅觉训练。
人类可以嗅出一万多种不同的气味。而且嗅觉会随着年龄而衰退,所以小孩儿能闻到更多的气味。
我们人类通过位于鼻腔的嗅觉感受器细胞((OR细胞)来感知气味。
OR细胞背后的遗传密码被称为OR基因。与其他哺乳动物相比,我们的OR基因数量少得可怜。比如,非洲象体内起作用的OR基因多达约2000个,而大鼠和小鼠的OR基因数量也有约1000个,但人类只有约400个OR基因。
我们的400种OR基因“送”给了我们400种对应的OR细胞,而这些细胞背后,每一种都有自己专属的通往大脑的通路,这种机制与味觉截然不同。因此,我们只能感知到5种基本的味道(酸、甜、苦、咸和鲜),但对气味却可以有更为微妙的感知。
此外,味觉又和视觉有相似之处,它们都可以通过大脑将不同的输入信号进行组合。这就是为什么,我们的眼睛中只有三种能感知颜色的细胞,但却能识别出一个五彩斑斓的世界。可想而知,400种不同的嗅觉细胞带来的信号组合的数量是多么庞大。据粗略估计,这些信号可以转化成超过一万亿种不同的气味。
引导实验
气味研究中有一个非常有意思的问题,能够很好地说明嗅觉的复杂性,他称之为“草莓问题”。
草莓和柠檬都是很香的水果。柠檬的气味很明显,它主要来自一种化学物质柠檬烯。而草莓则略有不同,它含有大约20多种化学物质,它们会共同组成草莓的气味。但你的大脑并没有告诉你,你闻到了不同的化学物质,它只是说你闻到的是“草莓味”。
这很不寻常,柠檬中含有一种化学物质,而草莓中含有多种化学物质,但结果却都是一样的——你闻到的都是一种特定的水果的气味。而且,如果我们同时闻这两种水果,可以分别闻到柠檬和草莓各自的气味。这就是因为,我们的大脑有一套极为复杂的神经处理过程。
我们还有嗅觉记忆,这些记忆通常是我们形成的最早的记忆,也是最持久的记忆,比如,特定的气味可能会让你想起童年。
我们再来看看味觉。
外部世界的信号经过一连串反应,再通过神经通路被传递到大脑。而味觉的关键就是在舌头表面和上颌的味蕾,它们能把食物从单调的“功能燃料”变成令人难忘的享受。
味蕾就像埋在我们舌头里的“感应装置”,而其中的核心“零件”就是味觉感受器。所有味蕾中都包含着5种关键的感觉细胞,分别负责酸、甜、苦、咸和鲜这5种我们目前已知的味道。
反直觉的是,辣并不属于味觉,而是一种痛觉。
鲜味是目前最迟被发现的一种味道。味蕾中一些细胞表面的蛋白质,会对谷氨酸盐、鸟苷酸盐或肌苷酸盐产生特异性反应。
这些蛋白质就是被称为受体的分子。和嗅觉很相似,味觉受体就是味觉通路上的锁,只有遇见形状和化学成分都匹配的分子“钥匙”才能被打开,从而向大脑发出特定的味道信号。
从进化的角度来说,味觉受体也是一件相对古老的“装备”,它能告诉我们什么好吃,什么不好吃,并且适应自己特定的饮食习惯。比如,对于猫和一些只吃肉的纯肉食动物来说,它们不再需要感知甜味的能力,于是相应的基因就不再起作用。然而,熊虽然是食肉的,但它们也会吃浆果,因此仍然保留着感知甜味的能力。
味道也可以成为一种警报机制。比如,带有苦味的化合物多达几千种,远远多于其他味道的化合物。原因就在于,大多数植物都利用某种毒素来保护自己,食草动物在进化中就逐渐具备了这种感知毒素的能力。
味觉对生存至关重要。如果没有正常工作的味觉细胞,那生活真的就会变得“索然无味”。
剩余的视觉、听觉请大家自行探索,我们先来试试人体拼图。这两个半圆形的展台上,分别摆放有男、女两套可拆卸的人体模型。
首先,我们来谈谈人的心。心是人体内最重要的器官之一,它负责泵送血液,维持身体各组织器官的正常代谢,并且还参与到神经调节和内分泌调节等多个方面。然而,随着现代生活方式的改变,很多人存在高血压、冠心病等心血管疾病。因此,我们需要重视平时的饮食和运动,控制血脂、血压等身体指标,同时也要及时进行相关检查和治疗。
接下来是肺。肺是人体呼吸系统的核心器官,负责吸入氧气并排出二氧化碳,维持身体正常的新陈代谢过程。然而,现代城市污染日益加剧,空气中的有害物质对肺部健康造成了不小的威胁。为此,我们需要多注意室内通风、戒烟限酒以及保持良好的生活习惯等,从而减少肺部疾病的发生。
再来是胃和肝。胃是消化系统的重要器官,可以分泌胃液对食物进行消化,在这个过程中也会释放胃酸对于身体健康非常重要。肝则是人体内最大的脏器,具有代谢、解毒、贮存等多种功能。但是现代人的饮食习惯不健康,以及饮酒、吸烟等不良习惯都会对胃和肝的健康带来巨大的影响。因此,我们需要坚持健康的饮食习惯,同时适量运动,戒烟限酒等,以保持身体的健康。
最后是肠道。肠道是人体消化系统中最长的一段,其主要功能是吸收营养物质、水分和电解质,排出废物和毒素。但是随着现代人的生活方式改变,很多人存在便秘、肠胃疾病等问题。因此,我们需要适当增加膳食纤维的摄入量、多喝水、坚持适量运动和养成定时排便的习惯等,以保证肠道的健康。
有没有人想尝试一下拼回去?
“视觉与经验”展品展项
视觉与经验、是你还是我
各位朋友大家好,欢迎来到绍兴科技馆,我是讲解员楼茜妮,今天我将带大家一起探索视觉的奇妙。
俗话说得好,眼见为实,耳听为虚,但眼见真的为实吗?
请大家过来站在我所站的这个点位体验一下,请你轻轻地左右晃动一下,画面的视角是不是会跟着移动?但其实这是一个视觉陷阱。
大家可以走上前看看,随眼珠而动的视角其实是静止画在突出的柱子上的。
要知道,不是所有的动物都能体验到视觉陷阱的奇妙的。
某些哺乳动物,比如牛、马、羊等,它们的两眼长在头的两侧,因此两眼的视野完全不重叠,左眼和右眼各自感受不同侧面的光刺激,这些动物仅有单眼视觉。人和灵长类动物的双眼都在头部的前方,两眼的鼻侧视野相互重叠,因此凡落在此范围内的任何物体都能同时被两眼所见,两眼同时看某一物体时产生的视觉称为双眼视觉。
人的两只眼睛之间相隔大约65mm。我们看清东西的时候,两眼的网膜是重叠在一起的,但如果两眼成像的网膜部位相差太大,那么人们就会把一个物体看成两个,这就叫做双目视差。正是因为双目视差,我们看到的物体才会有空间感和纵深感。
比如之前很火爆的裸眼3D,还有许多地方都有的3D博物馆,都是利用了这个原理。是不是很神奇。其实这项技术在六百年前的文艺复兴时期,就被艺术家玩得透透的了。
有一本书就叫作《视觉陷阱,眼睛是如何欺骗你的》,感兴趣的朋友也可以找来看看。
接下来再给大家展现一个神奇的现象,让我们移步至展品:是你还是我。
请两位朋友坐下来体验一下,你们可以旋转按钮,调节亮度,试着让自己和对面的人重叠。当你这边的光越亮的时候,是自己更清晰了,还是对方更清晰了?
所以这块是镜子还是透明玻璃?
如果这是一面镜子,你只能看到自己,看不到对面的人,如果这是一块透明玻璃,你只能看到对面的人,看不清自己。
所以这其实是一块半透半反镜。听起来似乎很厉害的样子!其实,和普通镜子并没有多大不同。光照射在平面镜上会被反射回去,反射光线的并非玻璃,而是玻璃后面镀的金属膜(通常是银、铝等金属)。当这层金属膜薄到能使一部分光线通过,另一部分光线被反射回去,就是半透半反镜了。而哪边更清晰,取决于镜子两侧的光线亮度比,总的来说,就是暗处能看见亮处,亮处不能看见暗处。
所以两边的亮度要怎样才能呈现你中有我,我中有你的景象呢?至少需要光照强度相差不大。
飞机和高档汽车上配备的平视显示器,使用的也是半透半反镜。
还有,我不知道大家在电视剧里有没有看见过一个场景,就是警察通过单向镜子审查犯人。这面镜子很神奇,同样一面墙,对于站在这边的人来说是镜子,对于站在那边的人来说,却是透明的墙。
其实这面所谓的“单向镜子”实际上就是半透半反镜。对于从任意一边射过来的光,这种镜子让一半的光通过,一半的光被反射(通过在镜子背面镀上很薄的银就可以轻松做到这一点)。然后,由于镜子两侧的光强相差很大,就造成了一侧透明,一侧是镜子的情况。
你看这幅图示意图里,想象在左侧的房间里面,光线非常强,而右侧的光则非常弱。由于镜子的半透半反作用,两边房间发出的光都会有一半透射到对面房间,而另一半则被镜子反射回来。
因此,在左侧房间里:
镜子处发出的光 = 被镜子反射的左侧光+被镜子透射的右侧光
由于加号前后的两种光的强度相差过大,人眼接收的几乎都是前者,因此如果你在左侧,看到的都是自己所处房间的情况,这面镜子就和一般的全反射平面镜没有区别。
但如果跑到右侧,可就好玩多了,差不多的等式:
镜子处发出的光 = 被镜子反射的右侧光+被镜子透射的左侧光
人眼接收的却几乎都是后者,所以能清楚地看到左侧房间的景象,就像看着完全透明的玻璃。
现在你能理解为什么在小隔间里看外面觉得是玻璃了吧,因为隔间内光线太微弱,人眼接收到的几乎都是外侧透射进来的光;而在外界的人,眼睛所接收的光几乎都是被镜子所反射回来的,因此会认为这个小隔间是由平面镜所围成。
这个展区还有许多好玩的可以去探索,比如全息投影、菲涅尔透镜,万丈深渊等等,让我们一起出发吧!