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物理竟可以如此展示! 科普创意决赛

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随着社会的飞速发展,高科技产品迅速渗透了全国上下各行各业,为积极相应李克强总理创新创业的号召,物理所举办了本次“科普展品创意大赛”以征集优秀的科普展品。本次大赛参赛作品均是所内师生原创科普展品设计方案,具有较高的思想性、科学性、艺术性和通俗性,以下20个展品创意为初赛阶段由赛事组委会推荐进入决赛的作品,可谓个个脑洞大开,现邀请您为自己喜欢的作品投上一票(投票见最下方,可以多选)。决赛相关信息请关注所内海报~



1二维MoS2打气筒晶体管



如图所示,有机玻璃空腔代表二维MoS2,透明PU管代表外电路,进水口和出水口对应于源漏电极,低功率蠕动泵代表电源,利用荧光彩色液体代表电子电流。中空腔体底部粘贴一个绿色气球,气球和外部打气筒相连。打气筒加压来表示栅极电压向负压方向增加,此时,气球膨胀,形成电子的耗尽区,相应于气球膨胀形成水流的阻塞区。


2相变花开知冷暖



钢化玻璃封装的铝合金箱柜,封装有4组形状记忆合金制作的智能金属花朵。受昼夜、天气、季节的温度变化诱发,发生马氏体结构相变,实时实现巨大花瓣的开合。花朵相变温度不同,不同时辰、季节可观察到不同组态的花开花谢,增加园区生活趣味。


3超导元素墙



整体为带有活动栅格的墙体,正面是标准的元素周期表,包括元素序号、符号、名称、电子排布、质量等信息,每个元素模块均可以活动翻转,背面用不同颜色说明该元素单质是否超导体,以及超导的条件(常压、高压、薄膜、纳米颗粒…)和超导临界温度等。


4对称的世界



通过展示晶体的内部结构,说明固体材料规则几何外形是由原子内部规则排列形成的。包括:1. 晶体实物(购置),如石英、NaCl、ZnS、SiC、YBaCuO等;2. 对应的晶体结构模型,背面展板介绍其对称性;3. 参照图片用用小球和小棍DIY碳的同素异形体如石墨、石墨烯、金刚石、碳-60、碳纳米管等。


5方向感检测仪



一个大大的铁质的地球仪,和一个小小的有着磁制底座的小人偶。小人偶放置在地球仪上某点,留意其面对的方向,让它四处旅游之后回到原点,会发现面对的方向不一样了。(注意人偶站在地球仪上移动时不要扭动它)

旨在为参观者建立非欧几何中平行移动的概念(贝利相位,联络,曲率)。


6拓扑不变量毛绒玩具



装置分别为球面、一孔torus、两孔torus的填充玩偶(见图)。表面覆绒毛(5-10cm)

参观者在梳理绒毛时会发现:一孔torus的毛发可以梳顺(无突变)但球面和两孔torus无论如何都会有两个“旋”无法消除。

旋的最小个数叫欧拉示范数,它是一个拓扑不变量。事实上此拓扑不变量与拓扑绝缘体有密切联系。

参观者通过毛绒玩具直观了解了拓扑不变量。


7柔软的单层原子-二维材料




石墨烯及其他二维材料最近已经在世界上掀起一股浪潮,广为人知。但是普通人对石墨烯及其他二维材料并没有直观的认识。让参观者了解什么是二维材料,它们有何特点,又有何用处,是本展品的目的。

本展品利用的球棍模型,常见易得,能帮助参观者认识二维材料结构。对应实物展品中的石墨烯实物,硫化钼实物,氮化硼实物,硒化钨实物,可让观众直观看见二维材料。

余下的展品将向观众展示石墨烯和其他二料维材潜在应用。

光显用于观众互动,让观众在石墨铅笔的痕迹中寻找石墨烯,让观众感觉二维材料不再陌生。


8杯中光景——神奇的光学世界



当一杯水遇上一道光,会发生多么奇妙的反应?你看,小黄人可以和我们捉迷藏,水也能制造彩虹,牛奶帮帮忙,就能见“夕阳”。科学不高冷,它就隐含在我们日常生活中。动动手,动动脑,一起寻找身边的科学吧!


9窃听风云之量子加密



观众扮演量子加密传输过程的发送方、接收方及窃听方。发送方和接收方利用量子密钥分发系统生成密钥对消息进行加密和解密,通过生成密钥的误码率判断有无窃听者,从而使观众对量子加密较其他方式的优点有更深了解。


10扫描探针手臂



本方案将探针以手臂的方式呈现出来,类比手的感知触摸,控制探针对物质进行XY方向扫描,以激光测距方式在人眼可见的范围对物质表面形貌的测量。实物装置可以展示探针扫描,反馈,信息处理等核心过程。配以图片文字说明扫描探针技术可以让人类在原子尺度上物质进行精确观测和操作。


11激光竖琴


用不同颜色的激光光束模拟竖琴的琴弦.当演奏者用手指遮挡光束时, 通过光电转化器件将相应的信号传给一个单片机处理,发出相应的音符。如果采用电脑处理,还可以进一步改变音色,发出不同乐器的声音。

本展品采用日常生活中所用的激光器,如激光笔、旧光驱里的激光器等。通过简单的光学元件对光的颜色、强度调制,以此普及一些光学常识。当手遮挡光线时会产生散射光线,从人眼对不同颜色散射光的反应出发,普及一下激光安全常识。光电转换器件可采用光敏电阻,可以在发声同时显示电路阻值的变化,展示光电转化的原理。


12带你悬浮带你飞!



你以为只有超导材料才能在磁场中悬浮起来吗?No, no, no! 你天天见到的材料也可以!石墨具有很强的抗磁性,甚至可以在磁场中悬浮起来。抗磁性与材料中电子的性质密切相关,而光和热会改变电子的运动状态,引起抗磁性的变化。激光照到石墨薄片上,光斑处局部抗磁性减弱,石墨片不同位置受力不同,从而跟随光点一起悬空飘动起来!


13灿烂多姿的等离子体

密封在石英管中的稀薄气体在电场的作用下成为等离子体,并激发出不同波长的光,呈现多种色彩。如氩等离子体显浅蓝色,氮等离子体显桃红色,挥发性铜盐电离显绿色等。置于暗箱中观赏效果更好。其中的彩色辉光可以随手的触摸而变化,还可在磁场中扭曲。辉光中包含的紫外线可使荧光材料,如人民币上的荧光标记等发光。


14蜘蛛抽丝——金属玻璃的超塑性变形



玻璃态金属不同于传统金属,虽然其常温下具有一般金属无法达到的强度,但当其温度达到玻璃转变温度后则会表现出超塑性流动行为(例如可进行压印,拉丝等任意加工形变)。Pd基金属玻璃的玻璃转变温度为300℃左右,且在高温时在空气中可保持化学稳定,所以可通过蜘蛛抽丝的表现手法来形象地展现金属玻璃的超塑性形变行为。


15无序密堆体系——奇妙的剪胀效应



无序密堆体系在受到一定的剪切应力条件下体系的体积会有一定的膨胀,也就是剪切膨胀效应,这在材料力学与地质运动中很常见。所以会出现这么一个现象:当我们用力挤压一个容器时,一般条件下容器体积会缩小,但当容器中装满沙子时,我们再用力挤压容器,容器的体积反而会增大。所以还利用这一效应我们可以做一个反常的液体体重秤。


16非晶与晶体特征展示系统



作为凝聚态物理的材料研究基础,晶体与非晶的概念已被大家熟知,但是他们的原子排列结构有什么样的特点呢,为什么会形成晶体和非晶体呢?

该系统不仅可以在二维条件下展示非晶的短程有序长程无序,晶体中缺陷(点缺陷,线缺陷,位错,晶界等)的结构特征,还能让人们直观地了解单晶生长,多晶形成,多晶晶粒粗粒化的条件,非晶(玻璃)形成条件等。


17接触模式下的AFM


用以模拟原子尺度下物体表面形貌的堆积在金属框内的玻璃珠、机械臂和画板。金属框的两个相邻边分别装机械臂和画板。机械臂的连接端可沿框边等距移动,扫描端带探针和铅笔,呈90度固定连接。探针与金属框平面垂直,铅笔与画板垂直。机械臂能使扫描端在三维方向自由移动,画板位置可调,总能使铅笔与画板刚好接触。于是,当拉动机械臂令探针对物体表面进行接触扫描时,探针的位置变动带动铅笔画出了物体的表面形貌图。


18MBE泡泡龙



用塑料磁球和弹簧枪玩实体泡泡龙,不同颜色的枪打出不同颜色的磁球,在上方的大铁板上吸附,模拟MBE生长过程。弹簧枪的力度代表蒸发温度。

把上方大铁板换成塑料板,就没有吸附,说明衬底的重要性。把大铁板换成某磁场周期的排布(模拟衬底晶格),应该可以得到完美晶格的生长(MBE的模板衬底方法)。

最后,用不带磁性的球大力轰击表面,模拟用离子轰击样品清理表面的过程。


19科普型光学纹影仪




纹影是在透明介质中由于折射率变化引起的现象。通常这种现象不易被人眼观察到,例如,风洞中机翼边缘产生的冲击波,大气压放电产生的空气流动,等等。我们设计的科普型纹影仪采用两支普及型天文望远镜的主镜,一支用于将光源(LED)转换为平行光,另一支将该平行光聚焦于刀口平面,刀口遮挡了部分光线,再通过数码相机成像。附图为用这样的纹影仪拍摄的大气压放电(图1)和蜡烛(图2)产生的纹影像。

该仪器还能用于一般光学特性的演示,例如,焦点处的点光源经透镜后成平行光,平行光源用于检测凸透镜的焦距,等等。


20家庭智能电网



是基于新能源概念提出,主要包括能源的产生,能源的储存,能源的利用。通过智能电网让学生了解(1)清洁能源的种类(水利,潮汐、风能、太阳能、地热能、生物质能等)以及工作的基本原理(势能到动能的转换,水蒸气推动涡轮机带动发电机以及太阳能使电子跃迁等)(2)能量储存方式(压缩空气,抽水蓄能,电池的种类等)以及工作原理(3)能源的利用(LED的种类及原理)。除此之外学生可以动手操作的有:简易太阳能电池,风力发电机组装,充电宝组装,简易二极管制作等,让学生能系统的对整个能源系统有一个了解。并且智能电网的智能可以联网,进而扩展到信号发射以及信息管理方面,让学生开动大脑,除此之外还可以在每一种能源上进行延伸,例如对于风力发电扇翅与发电机转速不一致的,扩展到手表的不同转速等。


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提示:本次大赛为物理所内部比赛,所提交的创意均为参赛选手个人设计,并对其展品方案拥有相应权益,物理所综合处对本次比赛相关事宜具有最终解释权。




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