林薇提出的“动能-冲击力”替代实验方案,像一道精准的激光,劈开了韩东物理实验操作受限的阴霾。方案的核心逻辑清晰,操作简化,规避了所有需要双手精密协调的环节,让韩东那只戴着黑色护腕、活动依旧僵硬迟缓的左手,终于有了重返实验台的可能。
寒假砺剑特训营的第八天,目标锁定:将“电磁阻尼摆”的验证方案从纸面推向现实。
临山三中物理实验室的灯光冷白而明亮,空气中弥漫着金属、机油和松香焊锡的混合气味。巨大的实验台中央,一台自制的电磁阻尼摆装置己经搭建完成:黄铜质地的摆锤打磨得锃亮,悬挂在可调节长度的细绳下;强磁铁组被精心固定在摆锤轨迹最低点两侧,形成均匀磁场区域;最关键的是,在摆锤正下方最低点位置,安装了一个硬币大小的微型压电式力传感器,通过纤细的数据线连接到旁边的电脑数据采集系统。
韩东站在实验台前,右手熟练地调试着磁场强度旋钮,眼神专注。他的左手虚虚地搭在桌沿,护腕包裹下的手腕依旧显得单薄,但他尽量不去看它,将注意力全部集中在右手的操作上。设定初始摆角?他无法像以前那样用左手精准扶住摆锤、右手释放,只能先用右手将摆锤拨到预定角度,再用一个简易的卡扣暂时固定,然后单手撤掉卡扣释放。动作略显笨拙,但足够完成初始条件的设定。
“初始角度设定:15度。”韩东的声音平稳,报出数据。
“磁场强度:0.5特斯拉。”沈言在电脑前监控着磁场读数,快速输入参数。
“数据采集系统启动,采样频率1000Hz。”王超盯着电脑屏幕,调试着数据采集软件。
林薇站在一旁,手里拿着她的《高考攻坚体系手册》,翻到物理实验部分“替代方案设计”那一页。她一边对照着方案草图,一边观察着实验装置的细节,不时用笔在手册上补充标注:
传感器安装确认: 轻微接触式(摆锤最低点轻触传感器表面),对摆动轨迹影响经沈言计算可忽略(<0.5%)。
数据采集关键: 需精确捕捉每次摆锤经过最低点的冲击力峰值F_max。软件设置峰值检测算法。
潜在干扰源: 环境振动(脚步声、关门声)、空气流动?需多次重复取平均。
“第一次释放,准备!”韩东深吸一口气,右手撤掉卡扣。
黄铜摆锤在重力作用下,带着轻微的破空声,划出一道弧线,坠入强磁场区域!当它摆动到最低点时,“嗒”一声轻响,锤头精准地轻触在力传感器表面!
电脑屏幕上,代表冲击力的蓝色波形瞬间飙升!一个尖锐的峰值清晰地出现在时间轴上!
“F_max1 捕获!”王超喊道,迅速记录下峰值数据:1.842 N
摆锤在磁场产生的涡电流阻尼作用下,回摆幅度明显减小。第二次、第三次经过最低点……
“F_max2:1.312 N”
“F_max3:0.953 N”
……
数据被一一记录。十次摆动后,摆锤几乎停止。王超快速计算出十次F_max值,并代入林薇推导的动能公式 E_k = (1/2) (F_max - m g) L (m为摆锤质量,g重力加速度,L摆长),得到对应的十次动能值 E_k1 到 E_k10。
“绘制 E_k - t 衰减曲线!”林薇指挥道。
宋小雨立刻在电脑上操作,将时间和对应的E_k值输入。一条明显呈指数衰减趋势的曲线出现在屏幕上!
“哇!有戏!”宋小雨兴奋地拍了下桌子。
韩东紧盯着屏幕上的曲线,紧绷的嘴角终于松动了一丝。沈言则开始用软件进行指数衰减拟合:E_k(t) = E_k0 * e^(-β t) 。拟合结果很快出来:β ≈ 0.215 s?1
“理论值呢?”林薇追问。
韩东立刻报出他之前推导的理论公式:β_theory = (B2 L r2) / (4 ρ m) 。代入当前参数(B=0.5T, L=1.0m, r=0.01m, ρ=1.7e-8 Ω·m (铜), m=0.2kg):
β_theory ≈ 0.208 s?1
“实验值 0.215,理论值 0.208!误差在3.4%左右!在可接受范围内!”王超计算后喊道。
初步成功!实验室里紧绷的气氛瞬间松弛下来。宋小雨开心地掏出包里的零食:“庆祝一下!能量补充!”她习惯性地撕开一包薯片,捏起一片就要往记录数据的本子上放——那本子上己经沾了几点油渍和碎屑。
“宋小雨!”韩东的声音陡然拔高,带着一丝严厉,“数据记录本!别碰!”
宋小雨的手僵在半空,薯片差点掉下来。她撇撇嘴:“哎呀,就一点嘛,又没弄脏数据……”
“实验室规范!”韩东的眉头拧紧,指着本子上那几点油渍,“数据记录必须洁净、严谨!任何污染都可能影响后续查阅和比对!这是原则问题!”他的语气带着不容置疑的强硬,甚至有些苛刻。那只戴着护腕的左手无意识地握紧了一下,仿佛在强调某种不容侵犯的规则。
宋小雨被噎得脸一红,悻悻地收回手,小声嘟囔:“规矩真多……炸鸡数据也是数据嘛……”
林薇看着这一幕,没说话。她能理解韩东对实验数据近乎偏执的严谨要求,这是顶尖竞赛选手的基本素养。但宋小雨大大咧咧、喜欢用生活化方式记录信息的习惯,也是她独特的思维方式。冲突的种子,在初步成功的喜悦下悄然埋下。
实验继续。为了验证方案的普适性,他们计划改变参数(磁场强度B、摆长L)进行多组实验。
“第二组,B=1.0T,L=1.0m。”韩东设定参数。
释放,采集数据。
“F_max1:2.105 N”
“F_max2:1.502 N”
……
数据记录到一半,王超突然“咦”了一声:“这组数据……F_max衰减好像比理论预期慢一点?”
沈言立刻查看拟合结果:“β_exp ≈ 0.185 s?1,理论值 β_theory = (1.02 1.00.012)/(41.7e-80.2) ≈ 0.735 s?1?不对!理论值应该随B2增大而增大!怎么实验值反而小了?”
众人一惊!围拢过去。
“参数输错了?”林薇立刻检查。
“B=1.0T确认。”韩东指着磁场计。
“L=1.0m确认。”沈言测量摆绳。
“质量m=0.2kg没变。”王超确认。
“电阻率ρ是铜的,1.7e-8 Ω·m。”林薇翻手册。
“公式没错啊?”韩东再次审视推导过程。
问题出在哪里?实验室的气氛瞬间再次凝重。
“看看原始F_max数据。”林薇凑到电脑前。屏幕上,第二组实验的F_max峰值序列似乎……比第一组更“分散”?相邻峰值之间的间隔时间好像也不稳定?
“采样有问题?”王超检查采集软件,“峰值检测算法……好像没问题啊?”
“摆锤释放有问题?”韩东皱眉,“我单手释放,可能初始状态有轻微扰动?”
“环境干扰?”沈言看向窗外,寒风似乎更大了些。
他们决定重复实验。然而,第二组、第三组重复实验的数据依然显示β_exp远小于理论预期值,且数据波动明显比第一组大!
挫折感如同冰冷的潮水,再次涌上心头。刚才的喜悦荡然无存。
“会不会……”宋小雨弱弱地举手,指着力传感器,“那个小铁片……是不是没粘牢?我看摆锤撞它的时候,它好像……轻轻晃了一下?”
一语惊醒梦中人!
所有人目光瞬间聚焦在最低点那个小小的力传感器上!它通过一块双面胶粘在底座上。在强磁场和摆锤冲击下,那块胶……似乎真的有些松动了?导致传感器本身在受到冲击时发生了微小的位移或振动?这无疑会引入巨大的测量噪声和系统误差!
“该死!”韩东低咒一声,脸色瞬间变得极其难看。他猛地俯身,右手伸向传感器,想要检查粘接情况。动作因为急切而显得有些粗暴。
“小心!”林薇惊呼。
但己经晚了!
韩东的右手手指在即将触碰到传感器时,他那只戴着护腕的左手,因为身体前倾失去平衡,下意识地想撑住实验台边缘!然而,手腕的无力感和僵硬感在那一瞬间背叛了他!左手没能撑稳,手肘猛地撞在了旁边一个打开的、装着精密螺丝刀和镊子的工具箱边缘!
“哐当——哗啦——!”
工具箱被撞翻在地!里面的金属工具散落一地,发出刺耳的噪音!一支尖锐的镊子甚至弹跳起来,擦着韩东的护腕飞过!
实验室里一片死寂。所有人都被这突如其来的变故惊呆了。
韩东僵在原地,右手悬在半空,左手手肘还抵在翻倒的工具箱上。他低着头,肩膀微微颤抖,散落的刘海遮住了他的眼睛。那只戴着黑色护腕的手,无力地垂着,像一件被遗弃的、失败的证明。空气中只剩下散落工具微微晃动的余音和韩东压抑到极致的、沉重的呼吸声。
实验数据偏差的挫败,工具散落的狼狈,以及那只依旧不听话的手带来的无力感……多重打击如同重锤,狠狠砸在他紧绷的神经上。他维持了许久的冷静和强硬,在这一刻,终于出现了一道清晰的裂痕。
林薇看着韩东僵硬的背影,看着他微微颤抖的肩膀,心口像是被什么东西狠狠揪了一下。她深吸一口气,走上前,没有去看散落一地的工具,也没有立刻去检查传感器,而是轻轻拍了拍韩东的肩膀,声音平静却带着不容置疑的力量:
“没事。传感器粘接问题,找到原因就是进步。”
她弯下腰,开始一样一样地捡起散落的工具,动作不疾不徐。
“小雨,记录本给我,这组数据标记‘传感器松动干扰,无效’。”
“王超,清理一下采集软件缓存。”
“沈言,计算一下传感器允许的最大位移阈值,我们重新设计固定方案。”
“韩东,”她抬起头,看向依旧僵立着的韩东,目光清澈而坚定,“检查一下磁铁固定架有没有被撞歪?磁场均匀性是关键。”
她的声音像一股沉稳的暖流,冲散了实验室里凝固的冰冷和尴尬。她没有指责,没有安慰,只是用最冷静的方式,将团队重新拉回解决问题的轨道。
韩东缓缓转过身。他的脸色依旧苍白,眼底翻涌着复杂的情绪——有挫败,有愤怒,更有对林薇这份沉稳的……一丝难以言喻的震动。他避开林薇的目光,看向被撞翻的工具箱和散落的工具,最终,目光落在自己那只戴着护腕、此刻显得无比碍事的手上。他用力闭了闭眼,再睁开时,眼底的混乱被强行压下,只剩下一种近乎凶狠的决绝。
他蹲下身,用那只完好的右手,开始和林薇一起,沉默地、一件一件地,捡拾起散落满地的工具。金属冰冷的触感透过指尖传来,像在提醒他现实的冰冷与残酷。
实验室的硝烟尚未散尽,但战斗,必须继续。