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第11届BNU实验科学锦标赛题目发布(上)
2019-09-03
周锡饮

(1)一个证明了地球自转的实验

傅科摆(Foucault pendulum1851)实验因提供了一个地球自转的实验性证据而广为人知。与此同时,锥形布拉维摆(conical Bravais pendulum1851),以及依靠通过有水水槽底部小孔向下流出的水流的运动的佩罗实验(Perrot experiment,1859)却鲜为人知。

21世纪于麻省理工学院(MIT)对1859年佩罗实验的重复。学生们将一个聚苯乙烯小球(位于红圈内,肉眼难见)置于水中,以便能够看到水流的方向。然而这可能并不是一个好主意,因为两个原因:(1)聚苯乙烯受静电吸引影响。(2)佩罗已使用一种更好的方法来产生全局视野(详见他的记述)。

关于佩罗实验的记述,于《法国科学院周刊》(1859, Vol.49, p.637-638):

我们给出的是法文,但是显然你们也可以借助谷歌或百度将之翻译。

 

 

一旦“佩罗效应”被成功地观测到,我们希望能够解决以下两个额外的问题:

是否可以使用矩形水槽替代锥形水槽?显然建造矩形水槽更容易。

原则上,将水槽的大小扩大为原先的两至三倍可以提高实验的准确度。这是真的吗?

 

2)旋转水箱的水流运动研究

相信每个人都观察过水流在排水口处产生的漩涡。通过实验,我们定量地探讨了这个问题。

实验中,我们设置一个装满水的圆形水箱,并使其绕垂直轴旋转,进而观察水流从水箱内壁到水箱底部中心的圆形排水口的运动情况。

旋转水箱中水流运动示意图

为了便于描述水流动态,我们在实际实验的基础上,对水箱中心和内壁间的水位差进行了扩大。

扩散器的作用是使水以最小的初速度进入旋转水箱。

此实验现象有两大研究热点:

1、此现象与由地球自转而引起的海洋运动(且一定程度上的大气运动)有着密切的相似之处。

2、当圆柱体的转速趋于零时,本实验即上一项目中描述的佩罗实验(Perrot experiment, 1859也就是说实验证实了佩罗效应。因此,我们建议参加此项目的成员与佩罗项目小组进行合作。

简易实验装置

首先你可以使用一个不加水带泵扩散器的简易装置。

大多数中餐馆的餐台都是可以旋转的,在老师的帮助下,你应该能够从学校餐厅借到。几年前,多亏了陈清华教授的帮助,我们借到了可以进行实验的旋转餐台。事实上,由于不能在玻璃餐台上钻孔,需要在餐台上放置一个底部打孔的水箱一个接收排水的容器。

下面的网站提供了这个实验的现代版本。其中,第二个网址给出了这个效应的公式。

http://marshallplumb.mit.edu/experiments/gfd-iii-radial-inflow

http://paoc.mit.edu/labweb/lab3/radial%20inflow/radial inflow.pdf

 

3)工业冲突

从单个案例(华为)引申到一系列类似的案例

你们大多数人可能听说过,中国电信巨头华为没有被允许在美国销售手机[1]。与此类似的是,出于国家安全的考虑,苹果(或微软)在中国的销售将被禁止。

把注意力集中在这一个案例上是错误的,因为事实上还有许多其它类似的案例,即外国公司销售的产品,其销售受到美国政府、美国媒体宣传活动或(最常见的是)两者兼而有之的阻碍。下表列出了一系列的案例。

工业冲突:美国针对外国竞争者的裁决和媒体宣传

 

案例

年份

产品

国家

公司/品牌

 

1

1973

超音速客机(2马赫)

法国-英国

协和(Concorde

2

1982

汽车

德国

奥迪(Concorde

3

1990

矿泉水

法国

巴黎水(Perrier

4

2010

汽车

日本

丰田(Toyota

5

2015

汽车

德国

大众(Volkswagen

6

2016

手机

韩国

三星(Samsung

7

2018

手机

中国

华为(Huawei

备注:

案例1可能是对美国统治地位最严重的挑战。1969114日,康科德航空公司首次以2马赫的速度飞行。美国联邦航空管理局(FAA)于1970年(临时裁决)和19733月决定对美国上空超音速飞行的限制,直到2018年仍然有效。197312月生产了第一架商用协和飞机。奥迪是大众的奢侈品牌。

资料来源:

案例1:纽约时报(1978111日)

案例3:纽约时报(1990210日)

案例4https//hbr.org/2011/02/toyotas-recall-crisis-full-of.

 

协和飞机挑战

在列表中的所有案例中,协和飞机公司可能是对美国技术统治地位最严重的挑战。为什么?

l   尽管这家公司很少被提及,但协和飞机正在与美国的一个超音速客机项目竞争。由波音公司领导的这个项目(简称波音2707)始于1966年,但在联邦补贴减少后于1971年停止。

l   协和飞机不仅是一个潜在的商业竞争对手,也是一个声望挑战。因此,这个项目不得不脱离轨道,但这必须在有关噪音和声爆的技术争论的掩护下完成。因此,美国媒体针对这些问题发起了一场广泛的运动。因此,当19733"联邦航空管理局"FAA)禁止民用超音速飞机在美国上空飞行时,没有人感到惊讶。在这个决定之后,大多数订购协和飞机的航空公司(大约有70个订单)取消了他们的订单。

值得注意的是,这是197311月石油危机爆发前6个月,由于埃及、叙利亚和以色列之间的"赎罪日战争"。此外,1985年的油价几乎回到了危机前的水平。因此,说协和飞机是被石油危机毁掉是不正确的,事实上,它是被联邦航空局毁掉的。

说实话,必须补充另一个存在的问题,技术维护的成本比预期的要高(美国航天飞机也是同样的问题)。然而,这个问题只是在一段时间后才出现,并不能解释早在1973年就取消订单的原因。

l   1973年后的30年里,这种情况再次发生,这次是关于空客A380(世界上最大的客机)。由于不可能通过一项具体规定禁止它进入美国,美国公司进行了默许的抵制。截至20185月交付的230架飞机,除了没有购买的美国航空公司之外,都卖给了世界各大航空公司。

研究的目的

主要目的是分析在这种情况下的作用机制。之前的案例表明,三种因素共同产生了这种作用机制。

1.看起来合理的技术原因。

2.美国媒体对超越理性的技术原因的放大。

3.美国政府的干预。

这些相关因素的权重和时间可能会改变,但它们几乎总是以一种或另一种形式出现。

 

 

 

4)金五星市场的命运

“金五星市场”以前就位于北京师范大学附近,多年来,它一直是一个非常便利的地方,因为在那里你几乎可以找到任何东西。例如,参加实验科学锦标赛的学生们可以在“金五星市场”找到他们实验所需要的工具。

从某种意义上来说,它是一个市场而不是一个百货商店,因为它是由上百家小商店所组成,而每一家小商店都有自己的卖主。

然而在一两年前,我们听说“金五星市场”不在那了而且没有人知道究竟发生了什么。关于这个市场,我们有几个显然的问题但苦于没有答案。

l   “金五星市场”是被搬迁到北京的其他地方了还是真的不存在了?

l   “金五星市场”过去所在的地方是不是有其他建筑物了?

l   那些在“金五星市场”有着自己的小商店的卖主,究竟发生了什么事情?

l   为什么要决定把“金五星市场”搬迁出去?

l   在中国的其他大城市里,类似的市场还有很多,它们也被取代或者废止了吗?

l   淘宝在这件事情当中所扮演着什么样的角色?确实,如今人们可以在淘宝上购买几乎所有的东西。然而,近年来“金五星市场”也有很多的顾客,这一事实似乎也说明,它的衰亡并不仅仅是由于淘宝的竞争而导致的。

l   “金五星市场”的老顾客们会怎么看待这件事情?

本课题的目的是让你通过会见和采访各式各样的人们,从而去回答上述问题(包括你所想到的其他问题)。你也可以联系北京市政府办事处或者任何其他可能获取到有关信息的地方。

由于“金五星市场”过去就在北京师范大学附近,许多在校园工作的人们可能就是以前的老顾客,这也就意味着你所去探寻的答案应该能引起很多人的兴趣。

 

 

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