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本科生科研指南(61):气体定律之科研平台的重要性 精选

已有 4382 次阅读 2020-9-11 14:33 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得| 本科生, 科研, 创新思维

 

本科生科研指南(61):气体定律之科研平台的重要性

 

张宇宁

华北电力大学(北京)

 

一切科学上最伟大的发现,几乎都来自精确的量度。

                       ----瑞利(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh,1842-1919)

 

随着科学研究进程的不断深入,很多研究领域的入门门槛也越来越高。这些高门槛对于本科生进行科学研究和创新活动带来很大的挑战,不但需要其具备较为全面的综合素质和科学素质,而且需要较好的科研平台提供支撑。从另一方面而言,较为适当的科研平台对于本科生的科研训练也同时会起到很好的促进作用,有利于人才的培养和能力的提升。在本期之中,借助气体定律所涉及到的若干个故事以及其他科学史上的知名科研成果,笔者将重点讨论科研平台的重要性以及其对于本科生科研活动的影响

 

一、科研平台的重要性

 

首先,科研平台为开展科学研究提供了重要的条件。诚如古语讲的“工欲善其事,必先利其器”,良好的科研平台是科学研究得以顺利进行的第一步。回顾气体定律的研究历程,博友们便可能已经看出平台对于研究的重要促进作用。早期,由于缺少较好的气体收集技术,人们对于气体的认识长期停滞不前,甚至认为只有空气一种气体。后续,黑尔斯提出了集气槽气体收集装置并在其所著的《植物静力学》一书中进行了详细的阐述。这个装置为希望研究气体的科学家提供了莫大的帮助,终于可以实现各种气体的有效收集,从而为进一步认识气体的物理化学性质奠定了重要的基础。很多重要的气体发现都是基于黑尔斯的集气槽装置实现的。同时,在后续的时代中,借助与气体领域的研究工作,诞生了很多知名的科学家,包括舍勒、普里斯特利等等。

另一个例子是波义耳定律的发现,即对于质量、温度恒定的气体,气体的压力与体积的乘积为常数。1659年,波义耳和助手胡克首先在科研平台上下了很多功夫,有效地改进了空气泵,然后迅速地将其应用于空气性质的研究。正是基于这些高端设备的研发,波义耳为气体的性质研究提供了很好的科研条件。三年后,“波义耳定律”便被提出。

类似的例子不胜枚举,包括伽利略引入望远镜进行天体的观察等等。由此可见,科学研究平台对于相关领域的研究具有重要的意义。

其次,科研平台为进一步深入研究提供了可能性。黑尔斯提出的集气槽装置适用于不溶解于水的气体的收集。在使用的过程中,科学家在研究不同气体之时,必然会发现部分气体是溶于水的,无法采用黑尔斯提出的集气槽装置进行收集。这种需求会促使科学家进行进一步地思考,从而将装置进行改进或者推进新的研究成果的产生等等。例如,1766年,卡文迪许发现了这个问题,便提出了水银收集法,即采用水银代替水,从而避免了气体的溶解。无独有偶,类似的装置在1772年普里斯特利在研究氯化氢等溶于水的气体时也提出来过。由此可见,科学研究还是有一定的规律可循的,而良好的科研平台是促使科学家能够发现科学背后的客观规律的重要前提和条件

最后,科研平台有助于科学家得到精确的测量结果。在气体定律的研究过程中,对于同一现象很多学者均开展过相关工作。但是,最后能够名垂青史的是那些一锤定音的学者。例如,围绕压强与温度的关系,早在17世纪末,阿蒙顿便对其进行了研究,观察了不同温度下气体压强的变化情况,并对实验数据进行了总结。可惜的是,虽然相关实验结果与真实情况大体上是接近的,但最为基本的物理定律而言,精度仍然有待提高。后续,1802年,盖-吕萨克借助于更为先进的科研平台对该现象进行了精确的测量,得到了“盖-吕萨克定律”,即对于质量、体积恒定的气体,气体的压力与温度成正比。另一个例子是稀有气体的发现。该发现源自于瑞利勋爵关于空气等气体密度研究的实验数据,他发现不同渠道获得的气体之间存在着极其微小的差异。值得一提的是,这些微小的差异只有借助于精确的测量平台方能够被发现,从而引起重视,并通过提出假说和后续验证予以解决。基于上述贡献,瑞利于1904年因稀有气体领域的学术贡献被授予诺贝尔物理学奖。由此可见,精确测量对于科学研究的重要意义和价值。

 

二、给本科生的建议

 

首先,需要清晰地定义好自己的科学问题。只有科学问题清晰了,才能够后续逐步厘清所需要的必要科研平台及条件。

其次,在导师的调研和选择上多下功夫。从社会洪流中来看,每个导师无比渺小。但在学生们的世界中,一个导师可能便是打开另一个世界的一扇窗。务必充分重视导师的重要性。

最后,不断通过调研与讨论推进科学问题的进展。当条件具备之时,需要不断的努力去填补。具备条件的人很多,只有努力去执行方是正途。






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