六盘水师范学院物理与电气工程学院贵州六盘水553000
本科生的能力培养是本科教育的重中之重，尤其是创新能、团队合作能力的培养。中国大学生物理学术竞赛以辩论的形式开展，在锻炼学生科研素质的同时，也培养了学生的团队合作能力、表达能力、沟通能力。我校一直积极参与省级和西南地区大学生物理学术竞赛，取得了良好的实践成果。组织学生参与学术竞赛，对物理实验课程建设教学也是大有益处的。
尽管各校都在积极备战参与中国大学生物理学术竞赛(ChinaUndergraduatePhysicsTournament，简称CUPT)，但大多数学者都在针对CUPT对人才培养的探索，极少有研究针对CUPT竞赛的具体的分析及贯穿竞赛的过程。本文以2021年CUPT第16题“UltrasonicPump”(中文译名“超声波泵”)为例，分阶段探究CUPT实验对学生能力的培养过程。
中国大学生物理学术竞赛，是中国借鉴国际青年物理学家锦标赛(InternationalYoungPhysicists’Tournament，简称IYPT)的模式创办的全国赛事。比赛重在培养和选拔具有一流水平的青年人才的重大赛事，受到省教育厅的大力支持，是贵州省教育厅行文认定的本科生重要赛事之一。
CUPT题目共17个，都是开放性的，根据省赛要求定题目，选择自己需要备战的，从而分析和研究。
超声波泵的中文题目为：浸没在超声波浴中的毛细管会像水泵一样工作，将毛细管内的水提升到相当高的高度，解释和探究这一现象。
对于超声波泵实验，不同直径的泵水管会导致不同的泵水现象，所以先通过实验确定泵水装置的毛细管直径大小。因泵水管浸入深度不同对实验结果影响较大，所以需进一步探索泵水管的浸入深度。继而研究水泵工作在不同频率、不同温度、不同液体浓度中的泵水现象，分析其规律。
学生确定需要探究的参量，指导教师指导学生自己设计实验，实验装置及仪器学生自己设计和改进，用到的小零件由实验室统一购买。
一盒直径4mm的有机玻璃，一盒0.9mm的熔点毛细管、水槽一个；KQ200DE型数控超声波清洗器一台(工作频率：40kHz，清水容量3L)，带刻度烧杯一个，电子天平一台，食用盐一包，刻度尺一把，软尺一个。
根据题目要求，超声波泵水实验的各项实验条件未定量地选择和确定实验条件，首先在超声波水泵实验中应该选择什么样数值的泵水管直径，学生提出用不同直径的泵水管探究泵水工作高度的变化，同时挑选出适合泵水管浸入超声波浴中的深度。学生经过在泵水管浸入不同深度进行实验，探究在浸入深度的变化差值最明显。最终分析出泵水管在浸入深度在4～6cm范围内时，超声波浴中的毛细管水泵工作最为“活跃”，频率在40Hz与60Hz大小时变化为最大。在实验仪器的制作和泵水管直径和浸入深度的确定实验设计过程，都是学生自己寻找和改进的。锻炼学生动手能力时，使得学生的开放性思维得到训练，同时培养了学生的创新能力。
3.3.1超声波浴频率对毛细管内泵水高度的影响
超声波浴中的水泵工作是由于波的振动而形成水泵工作。声强的大小与声速、声波的频率的平方、振幅的平方成正比，即：
I
A
f
(1)
N
F
P
ρgh
(2)
k
kA
(3)
由公式(3)，控制其他量不变，水泵的高度与频率平方是正比例关系。
为了证实和探究频率对泵水毛细管水泵工作高度是否成一定的规律，学生设计20℃为固定的实验温度，用熔点毛细管作为此实验的泵水毛细管，将毛细管浸入深度为5cm的波浴中，依次改变频率的大小为40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz、90Hz、99Hz，记录好水泵工作的高度。记录数据后，学生根据数据利用0riginPro软件拟合可得到图1：
图1毛细管泵水工作与频率关系线性图
根据所推理出的实验猜想得到如下公式：
(4)
学生根据理论公式，水泵的高度与频率的大小呈现出一个平方关系，但是从图1明显得到实验数据结果并不像公式所推断的规律。在频率为40～50Hz范围内，水泵工作变化相比50～99Hz范围内更加具有规律性，呈现出上升的水泵工作趋势。学生查阅文献分析实际在实验的过程中，当在频率为40Hz时水泵升高后，毛细管内出现水珠挂壁的现象，实验在大量的水珠聚集在一起时，水泵工作很难实现。正因为毛细管内的“阻力”使频率与浸入超声波浴中的水泵工作很难进一步探究与观测。
3.3.2温度对毛细管内泵水高度的影响
图2温度不同的水泵工作状态
由图2可知，在频率为40Hz大小时，水泵工作都是持上升的趋势，但是在频率为40Hz水泵工作后，后面频率的大小改变就呈现无规律的状态。根据图像进行分段分析，在频率在40～50Hz范围内时，毛细管内的水泵高度都呈现上升的趋势，在频率为90～99Hz时，水泵高度趋于下降的状态。根据实验过程中水泵的工作情况，由于在频率40～50Hz范围内时水泵上升，毛细管内壁产生水珠挂壁的现象，造成改变频率大小时水泵上不去，所以其他频率段无规律状态。
3.3.3浓度对毛细管内泵水高度的影响
当温度为23℃，毛细管浸入深度为5cm时，超声波清洗仪中盛2.5L的水，向水中每一次加50g的食盐，记录下初始水泵高度和频率为40Hz、60Hz、80Hz大小的条件下水泵的高度。根据数据利用0riginPro软件拟合可得到图3：
图3不同浓度超声波浴中频率对水泵工作的影响
H
实验探究部分都需要学生自己设计，并且进行大量实验验证其猜想，将实验结果和理论相结合，分析理论和实际的差距，分析原因和解决问题。再次改进实验方案，这个过程对于培养学生的动手能力、解决实际问题的能力有极大的促进作用。
CUPT比赛对于培养本科生的科研素质有着重要作用，对学生查阅文献、分析文献、知识的运用和实验设计方面都有明显提升效果。除此之外，CUPT的考核方式也适用于其他创新性、开放性实验课程，对推动实验教学有不可或缺的作用。