中国大学生物理学术竞赛(China Undergraduate Physics Tournament，简称CUPT)是借鉴了国际青年物理学家锦标赛(International Young Physicists’ Tournament,IYPT)的竞赛模式，由南开大学物理科学学院组织并于2010年创办了首届CUPT[1]，至今已举办了8届，全国参与院校高达100余所。CUPT的题目具有多样性、探究性和创新性，本文以2017年CUPT竞赛第17题为研究对象，从题目分析、仪器的设计与制作、理论建构、实验论证和结论五个方面进行讨论。

1 题目分析——Vacuum Bazooka

2017年CUPT竞赛17题的内容为：“A ‘vacuum bazooka’ can be built with a simple plastic pipe,a light projectile,and a vacuum cleaner.Build such a device and maximise the muzzle velocity.”[2]。通过仔细阅读后得知，该题目中要求利用家庭中的吸尘器以及塑料管，可制作出一个真空“火箭炮”，并结合实验研究并分析影响发射物速度的主要因素，最后得出提高发射物最终速度的方法和结论。

建构主义是学习理论中行为主义发展到认知主义以后的进一步发展，最早的提出者可追溯到瑞士心理学家让·皮亚杰（J.Piaget）和美国教育心理学家杰罗姆·布鲁纳(Jerome Seymour Bruner)。70年代末，以布鲁纳为首的美国教育心理学家将苏联教育心理学家维果斯基的思想介绍到美国，极大地推动了建构主义思想的发展。建构主义目前还未形成稳定的、统一的体系,其分类存在不同的方法。国内学者陈琦等归纳了六种不同倾向的建构主义：激进建构主义、社会性建构主义、社会文化认知的观点、信息加工的建构主义、社会建构论和控制论系统。

2 “真空火箭炮”的设计与制作

根据题目的要求，设计并制作了如图1所示的实验装置。发射腔的内径为21 mm，长为2 m的亚克力圆管；吸尘器采用小狗牌900 W无极调节D9U型号；发射物利用3D打印制作而成，外形设计为球形、圆台形和圆柱形三种结构，外径与质量在后文中标注；真空计示数为绝对压强值，误差为0.05%；测速计采用光电传感原理制作而成，误差5%；由于发射物出口速度较大，利用弹簧设计了穿冲结构，避免高速碰撞后损坏仪器。

传统的语文教学是以单篇的课文为单位进行教学设计的，这样的教学固然能对文本中的知识点进行细致的剖析，但是却有“目无全牛”“见树木而不见森林”的弊病，学习板块之间难以形成紧密的联系。因而，教学难免会陷入重复、无序的境地。好比拔河，若没有一个共同的用力方向，则最终会造成合力的弱化。

图1 真空火箭炮仪器装置及结构示意图

实验时，需将吸尘器吸尘口与仪器吸气口对接，打开电源开关后，待真空计示数稳定后，将发射物释放，通过改变两测速计位置可得到不同位置的速度值。

3 理论建构

对真空腔内发射体速度的研究国内外已有学者进行分析，其中Eric Ayars和Louis[3,4]等人利用压力传感器等设备，结合FLUENT软件模拟了物体在真空腔体内压强的分布状态，研究了发射体的运动规律，提出了空气柱质量对发射物运动极限速度的影响及极限速度的数值表达式。另有陈家安[5]提出的在高真空环境中，发射体在运动的过程中气体变化时等熵的，结合理想气体绝热方程和牛顿第二定律，推导出了发射体速度与时间的函数关系。结合实验条件及设备可知，使用吸尘器无法达到真空状态，因此需根据实际情况重新建构物理模型[5，6]。

利用Matlab软件对数据处理并与理论值对比，如图8所示。从图7中可以看出，三种圆台形发射物的实验速度值较理论值偏小，且与球形发射物比较发现，圆台形发射物达到极限速度所需位移较短，加速时间短。造成实验值比理论值偏低的主要原因是圆台形发射物与内腔的摩擦力过大，不能忽略所导致。与球形发射物相比，圆台形发射物表面上下层空气流动不均匀，且重心不在物体的几何中心上，导致发射过程中物体会倾斜。

图2 管内发射体运动情况示意图

由于管内外压强差的变化与小球运动速度有关，且时刻在变化，故需要对管内任一位置的压强差进行标定。使用相同质量的球形发射体，改变管口初始压强差P，记录管口处小球速度，经多次测量后使用Origin9.0拟合实验数据，如图3所示。

图3 管内压强差拟合

[1] 李川勇,王慧田,宋峰,等.中国大学生物理学术竞赛及其对培养学生综合能力的作用[J].大学物理,2012,31(5):1-4.

(1)

dP=236.45*v-1 524.9

(2)

其中A为发射腔体横截面积，整理后得发射体的速度V与时间的函数关系为：

(3)

初始管口压强差为16 530 kp。圆台形发射物实验数据如表2所示。

(4)

利用Matlab可绘制发射物的位移x与出速度V的理论值图像，如图4所示。该图像为假设发射物质量m=1.8 g。

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图4 发射物位移与出口速度理论值

4 实验与分析

结合3D打印技术，分别制作3种不同质量、不同外形的“子弹”作为发射物，如图5所示。实验采用控制变量的方法，对不同发射物的出口速度进行研究。在预实验中，由于圆柱形发射物在管中运动无论怎样调整发射物外径都不能减小摩擦，阻力极大，因此在后续的分析中不再研究圆柱形发射物的出口速度。

图5 圆形、圆台形和圆柱形发射物

4.1 球形发射物出口速度

实验中采用内径为21 mm，长2 m的发射管，发射体外径20 mm，质量分别为1.80 g、2.33 g和2.92 g的球形和圆台形发射物，测量管内各位置速度。初始管口压强差为19 620 kp。球形发射物实验数据如表1所示。

表1 不同质量的球形发射物速度测量值

m1=1.80gv1/m/sm2=2.33gv2/m/sm3=2.92gv3/m/s25.425.522.831.829.225.933.733.329.536.936.631.139.838.234.441.139.338.143.441.639.244.842.540.445.543.341.447.544.142.048.845.642.548.445.643.8

3.3 PTEN的翻译后调控 PTEN的活性和稳定性可通过磷酸化、氧化、乙酰化、泛素化和小泛素样修饰蛋白分子(small ubiquitin-like modifier，SUMO)化等翻译后途径调控。

根据对已有的文献的查阅，发现我国农民专业合作社的资产都不高，资产在20万到50万元之间的大约占28%，资产在50万到100万的大约占29%，从这些数据可以看出来，大部分农民专业合作社的资产都处于100完以下。所以他们的规模较小，从另一方面展现的是农民专业合作社的经营能力是不强的，由于资金的不充足，他们不敢进行更多的业务，而给农民的贷款也更多的是小额贷款，小额贷款很多时候解决不了农民的根本问题。而且农民专业合作社更多的是种植业、养殖业的合作社，也使得覆盖面较小，限制了面向农民的贷款量。

图6 不同质量球形发射物实验值与理论值

从图6中可以看出，在管长2 m的限制下，质量小的发射物较质量大的而言，相同位置速度较快，质量仅影响小球加速到极限速度的时间，若发射腔能延长至5 m，可看出三种质量的发射物都能达到极限速度。

4.2 圆台形发射物出口速度

实验中采用下底直径20 mm，高20 mm，上底直径分别为10 mm、6 mm和2 mm(便于区分分别标号为ra、rB和rC)，质量均为0.62 G，如图7所示。

图7 三种圆台形发射物

对(3)式积分后得到位移x与时间t的关系：

表2 质量相同形状不同的发射物速度测量值

va/m/svB/m/svC/m/s25.425.522.831.829.225.933.733.329.536.936.631.139.838.234.441.139.338.143.441.639.244.842.540.445.543.341.447.544.142.048.845.642.548.445.643.8

理想状态下，一发射体处于内外压强差为ΔP0的管内时，在大气压力的作用下，发射体将做匀加速直线运动。但在实际情况中， 由于发射体的外径与管内径不能紧密贴合，固小球在运动的过程中，球左侧高速流动的空气会通过缝隙流过小球，运动到球体前方，造成内外压强差变小，发射体做变加速直线运动，简化模型如图2所示。

图8 圆台形发射物实验值与理论值

5 结 论

影响真空火箭炮发射物出口速度的主要因素有发射物的质量、形状以及初始管内外的压强差。发射物的质量会影响物体加速到极限速度的时间，若可忽略摩擦，管足够长，即使质量较大的物体也能达到极限速度，从理论层面来说，质量仅影响物体加速的时间；球形发射物的实验值与理论值吻合较好，主要原因是球形物体与发射腔内侧贴合较为紧密，空气流动均匀，发射物周围空气流速近似，不会形成上下表面压强差，从而产生附加摩擦力；最后，增大或减小发射腔体初始内外压强差并不能增加或减小发射物极限出口速度，仅在发射腔的长度未达到物体加速所需距离时，压强差对极限速度有影响。

参考文献：

综上所述，人类口腔唾液中存在复杂的微生物群落结构，即拥有共同的核心菌群，同时又具有广泛的多样性，而且高龋均和重度牙周炎患者唾液中的微生物群落结构有差异性，其中以高龋均组的微生物群落结构更多样；龋病和牙周病的发生并不是某种特异细菌所致，而是源于微生物菌群结构的多样性及其变化，是多种细菌相互作用的结果。但由于高通量测序价格昂贵，数据处理繁琐，故本研究中所测样本量有限，对于多种可能影响两种疾病的因素也未深入探讨，若全面解释两种疾病微生物之间的关系，还需更深入的研究。

根据拟合结果可以看出，管内外压强差P与发射体速度V成正比例关系。根据牛顿第二定律有：

[2] http://iypt.org/Home.

利用Matlab软件对数据处理并与理论值对比，如图6所示。

[3] Eric Ayars,Louis Buchholtz.Analysis of the vacuum canno[J].American Journal of Physics,2004.

从历史实践看，制裁首当其冲对伊朗经济带来沉重打击，这一方面体现在外国公司撤出潮，制裁导致100多家金融和能源领域的外国企业撤出伊朗市场，包括道达尔、马士基、通用电气、波音、卢克石油等。另一方面体现在伊朗货币不断贬值，美元日益稀缺，以美元结算变得越来越难，对外石油贸易难以开展。中国在伊朗的石油企业将直面以上困难和问题。

[4] R.M,V.Gorrepati,The Mechanics of A Ping-pong Ball Gun[J].Experimental Techniques,2008.

[5] 陈家安.气体炮加速度的理论极值[J].现代引信,1997(4):46-49.

[6] 朱雨莲，朱盼盼，王旗.高真空热电子发射实验研究[J].大学物理实验，2017(6)：1-3.

在库恩看来，“一个新理论只有在常规的问题解决活动宣告失败之后才突现出来”[2]63，新理论是对危机的一个直接的回答，危机是新理论出现的一个前提条件。“科学中像制造业中一样，更换工具是一种浪费，只有在不得已时才会这么做。危机的意义就在于：它指出更换工具的时机已经到来了。”[2]65危机和反常一样，是范式动态性的重要表现。反常和危机伴随着常规科学的发展，如何应对常规科学中越出范式所预期的现象和问题成为了科学共同体成员重要的任务。