城市夜晚七彩斑斕的霓虹燈如何發(fā)光？國產(chǎn)大客機C919怎么順利起飛？春日里頭上的靜電如何打造一顆“爆炸頭”？
在四川學院古蕩學校，有一座剛才啟用的化學演示實驗室，可以在寓教于樂中回答那些問題。實驗室擁有280平方米的展教面積，內(nèi)設有“光學廳”“力熱聲學廳”“電磁學廳”三個主題展館。據(jù)悉，還設有一間具備3D投影的多功能科普報告廳。
目前，通過廠家訂購，合作研制，自行研發(fā)，師生共創(chuàng)，仿造改進和科研成果、學科大賽轉化等途徑，實驗室已有演示實驗儀器超過200件，因為展示空間的限制，廳內(nèi)現(xiàn)展示100余件，其余儀器不定期地輪轉更新。
日前，記者來到這個化學演示實驗室，追隨研究人員的步伐，體驗一個個精典實驗，為你們揭露神奇化學世界的冰山一角。
輝光球：創(chuàng)造神奇的光現(xiàn)象
斷虹霽雨，凈秋空，山染眉形新綠。雨水時節(jié)，空山新雪后，赤橘黃綠青藍紫，一輪彩虹掛在天空上，在古人看來，彩虹是能入溪邊飲水的神怪，而當下科學界則覺得，它是一種大氣光學現(xiàn)象。將思維發(fā)散開去，與彩虹有著相像色調(diào)，在夜里鬧市中閃動的霓虹燈的原理是哪些呢？
帶著這樣的好奇，記者來到復旦古蕩學校，繞開教學樓回廊，滿腔期盼地進入化學演示實驗室的第一站——光學廳。
沒想到一進門，布置在旁邊的萬丈深淵實驗就給了記者一個絆子。在一塊透明玻璃的覆蓋下，腳踏的地面黑黢黢一片，深不企穩(wěn)，如同星新一在小說《喂——出來》中描畫的無底洞，掉落下去悄無聲息，沒有回音，讓人虛汗直冒。
當心地挪步遠離實驗展廳，一邊等候的研究人員才笑出聲來。“這個光井雖然是借助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、裝置于它們中間的巖石模型及燈光裝置和地臺構成。黨參觀者從地臺表面經(jīng)過時，向上望去，都會聽到半透半反鏡多次反射巖石模型形成的“萬丈深淵”場景。
“在生活中，還有許多有趣的幾何光學現(xiàn)象，它與我們十分親近，是數(shù)學學離我們近來的景色，可在科普和化學實驗教學的中級階段發(fā)揮主要作用。”在光學廳中，有的借助了半反半透鍍膜物理實驗模型，有的借助了曲面鏡反射成像，有的借助了光線連續(xù)折射，它們以奇妙的光學景色將光的直線傳播、反射、折射、透射規(guī)律多元化地展開，挑動參訪者視角的轉換，喚起參訪者思維的發(fā)散。
輝光球就是典型的一個實驗。輝光球又稱為電離子奇幻球，它的外形為半徑約15cm的高硬度玻璃球殼，球內(nèi)充有黏稠的惰性二氧化碳，玻璃球中央有一個紅色球形電極，球的頂部有一塊回落電路板，通過電源變換器，將低壓直流電轉變?yōu)楦邏焊哳l電流加在電極上。通電后，回落電路形成高頻電流電場，因為球內(nèi)黏稠二氧化碳遭到高頻電場的電離作用而光芒四射，形成神秘色調(diào)。因為電極上電流很高，故所發(fā)生的光是一些幅射狀的輝光。
演示伊始，研究人員就將光學廳的光源全部關掉，輝光球在黑暗中盛開出艷麗的光輝，不斷地弧線游動在圓球的內(nèi)部。研究人員從抽屜中取出日光燈，當日光燈緊靠輝光球時，它猛然亮了上去。面對這些現(xiàn)象，參訪者似乎很感興趣。
“輝光球和霓虹燈、日光燈的應用原理十分相像。實驗中韓光廟會亮的原理，在于輝光球周圍存在一個高壓電場，當日光燈緊靠輝光球時，日光燈兩端有一個電流，三者中充有稀有二氧化碳，光管上面的二氧化碳都會發(fā)生電離，因而發(fā)光。”研究人員說。
接著，研究人員示意記者用右手接觸輝光球，此時圓球周圍的弧線變小甚至消失，光線幾乎都集中在手腕附近，形成的弧線沿著腳趾的觸摸聯(lián)通而游動扭曲，并隨手腕聯(lián)通而擺動，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產(chǎn)生一個類似于點電荷的場。當用手（人與大地相連）觸碰球時，球周圍的電場、電勢分布不再均勻對稱，球中心與手之間存在一個極大的電勢差，且球中的二氧化碳已被電離，在球與手之間產(chǎn)生通路，自然就形成了弧線隨著中指蹁躚的神奇現(xiàn)象。
風洞實驗：飛行器的搖籃
摸索著從光學廳的拐角走下來，一下子似乎從黑暗世界中迎來了光明，力熱聲學廳出現(xiàn)在眼前。
一架精巧的客機模型門口猛撲了一圈視察者，還有人拿出手機從多角度拍攝錄象，如同在視察稀世珍寶。在研究人員的操作下，裝置中的風機給風，嗡嗡的噪聲逐步加強，客機模型陡然顫動了一下，驟然騰空而起，懸浮在空中，弄成了一架真正的“飛機”，跟隨氣流的變化而下降減少，引發(fā)驚呼聲一片。
風洞實驗，是以人工的方法形成而且控制氣流，拿來模擬飛行器或實體周圍二氧化碳的流動情況，并可量度氣流對實體的作用療效以及觀察化學現(xiàn)象的一種管線狀實驗設備。在學術界，風洞被喻為“飛行器的搖籃”，留傳著“有哪些樣的風洞，能夠有哪些樣的客機、飛船、火箭、導彈”的說法。
研究人員說，因為目前的空氣動熱學理論發(fā)展尚不夠成熟，因而，實驗研究是當前惟一可信的研究手段。設計出一架客機、一輛車輛或則一枚湖人，為了驗證設計是否科學，須要先做一個小的模型，對其吹風，借助各類實驗技術觀測空氣怎樣流過模型表面，檢測模型表面的速率、壓力以及濕度，從而再估算出渦量場、熱紊流等各類數(shù)據(jù)。“無論是波音747，還是國產(chǎn)大客機C919，風洞實驗都是必不可少的。”
力熱聲學廳的奇妙之處不止于此。有的演示通過看似反常的現(xiàn)象使人重新認識基本數(shù)學規(guī)律，比如錐體上滾實際展示了質(zhì)心剛體在重力作用下自發(fā)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周期的單擺運動作出了有規(guī)律的花樣擺動……一切實驗都飄忽不透，卻又有跡可循，給人留下的印象久久不能忘懷。
山西學院化學演示實驗室負責人鄭遠自豪地說，力熱聲學廳作為自主創(chuàng)新的主要展示區(qū)，其中還放有許多中學生自主設計制做的演示儀。諸如多吸引子混沌電路、旋風小球演示、電暈馬達、多邊形渦旋、多級無線充電、人造海市蜃樓、超聲波漂浮等。中學生作品連續(xù)6年在中國學院生化學學術大賽全省大賽中獲得了3次特等獎和3次銀獎。
復旦數(shù)學學系將“以生為本”作為自己的基本教學理念。中學生的優(yōu)秀作品經(jīng)過班主任團隊的建立，可以成為教學研究類論文的主題，也會成為步入實驗課堂的教學儀器。“通過師生的創(chuàng)造力，給演示實驗室以及基礎數(shù)學實驗教學帶來源源不斷的活水，產(chǎn)生可持續(xù)的發(fā)展動力，在前期建立的科研基礎訓練、科研能力訓練和特色專業(yè)訓練的專業(yè)平臺基礎上平添以演示實驗為載體的新平臺，促進數(shù)學演示實驗室跨越式發(fā)展步入推動示范新高度。”鄭遠說。
靜電實驗：短發(fā)女孩變了短發(fā)
夏秋之交，最是嚴寒嚴冬時。一件結實的衣服，就可以在凜凜北風中，給人一種溫暖的幸福感。其實，長褲撫弄帶來的靜電，也讓人有些小煩惱——每逢推門、握手、扶圍欄……我們總是膽戰(zhàn)心驚，生怕靜電“啪”地給手來如此一下。
剛轉過電磁學廳的拐角，一眼能夠看見豎立在壓軸位置的靜電裝置。從外型看起來，它是一個泛著銀色金屬光澤的大圓球，沒有哪些特殊之處。不過現(xiàn)場的科研人員告訴記者，通電以后觸摸圓球，體驗者的體會將大不一樣。同時，科研人員在裝置的周圍拉了一圈藍色的警戒線。
不出所料，該裝置就是電磁學廳最先演示的實驗。擠在黃線以外的眾多視察者躍躍欲試，不住奔向科研人員招手，試圖當上第一個“吃毛蟹”的人。一位短發(fā)女孩成為“幸運兒”。在科研人員的引導下，那位女孩很快站上了半米高的絕緣臺，攤開雙手，單手貼緊圓球。臺下的參訪者們目不轉睛地看著她，急切期盼著通電后的神奇現(xiàn)象。
在懸疑連續(xù)劇中，假如有人觸摸靜電裝置，這么他的四肢頭發(fā)會豎起，頂著一顆“爆炸頭”。在化學演示實驗室的實驗中，卻沒有想像中毛發(fā)一根根豎起，像小狗“炸毛”一樣的場景。不過隨著該女孩左右擺動毛發(fā)，漸漸有部分發(fā)絲溜出了“大家庭”，呈幅射狀跑開，讓她擁有如雄獅鬃毛一樣柔順的短發(fā)。離開靜電裝置后，該女孩的毛發(fā)一直亂蓬蓬的，直至一段時間后才聽話地蓬松出來。
研究人員說，這個靜電裝置稱作范安多拉夫起馬達物理實驗模型，才能通過傳送帶將形成的靜電荷傳送到中空的金屬球表面。人可以站在絕緣的桌子上，用手按著起馬達的球狀金屬罩。“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，于是人的毛發(fā)因帶同種電荷互相抵觸而變得卷發(fā)豎起。”
徜徉在電磁學廳，展廳上一個有著疏密交替表現(xiàn)的實驗，吸引了許多參訪者的興趣。在一條短短的軌道上，兩個帶有燈泡的金屬線圈互相緊靠，燈泡都會亮起，互相遠離則會漸漸變暗直到熄滅。
“這也許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(xiàn)上并無太多神秘感。”研究人員介紹說，中級線圈一定頻度的交流電，通過電磁感應在次級線圈中形成一定的電壓，因而將能量從傳輸端轉移到接收端。“通過演示將電與磁聯(lián)系上去，除了表現(xiàn)出電磁之間的互相斥力，就能引出電磁幅射以及其攜帶能量和信息的概念。”
湖北學院化學學系院長王業(yè)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，以及提高科學素養(yǎng)的科普基地。”
眼下，王業(yè)伍還有幾個小目標：“我希望數(shù)學演示實驗室除了能把理論和實驗教學緊密結合，將實驗教學引入課堂，同時引導中學生參與演示實驗研制和互動教學，培養(yǎng)中學生創(chuàng)新能力和協(xié)作精神。最重要的是，它可以面向我省中小中學生及公眾開放，成為培養(yǎng)大眾科學探求、提升大眾科學素養(yǎng)的窗口，努力成為社會認可的新一座科普基地。”