电磁学厅。 俞碧寅 摄
城市夜间五彩缤纷的霓虹灯怎样发光？国产大飞机C919如何顺利起飞？冬日里身上的静电怎样塑造一颗“爆炸头”？
在浙江大学紫金港校区，有一座刚刚启用的物理演示实验室，可以在寓教于乐中回答这些问题。实验室拥有280平方米的展教面积，内设有“光学厅”“力热声学厅”“电磁学厅”三个主题展厅。此外，还设有一间具备3D投影的多功能科普报告厅。
目前，通过厂家购买，合作研发，自行研制，师生共创，仿制改进和科研成果、学科竞赛转化等途径，实验室已有演示实验仪器超过200件，由于展示空间的限制，厅内现展示100余件，其余仪器不定期地轮转更新。
近日，记者来到这个物理演示实验室，跟随研究人员的脚步，体验一个个经典实验，为大家揭开神奇物理世界的冰山一角。
研究人员向参观者演示锥体上滚实验。 俞碧寅 摄
辉光球：创造神奇的光现象
断虹霁雨，净秋空，山染修眉新绿。雨水时节，空山新雨后，赤橙黄绿青蓝紫，一轮彩虹挂在天空上，在古人看来，彩虹是能入溪涧饮水的神怪，而当下科学界则认为，它是一种大气光学现象。将思维发散开去，与彩虹有着相似色彩，在夜间闹市中闪烁的霓虹灯的原理是什么呢？
带着这样的好奇，记者来到浙大紫金港校区，绕过教学楼回廊，满怀期待地步入物理演示实验室的第一站——光学厅。
没想到一进门，布置在门口的万丈深渊实验就给了记者一个下马威。在一块透明玻璃的覆盖下，脚踩的地面黑黢黢一片，深不见底，仿佛星新一在小说《喂——出来》中描绘的无底洞，掉落下去悄无声息，没有回音，让人冷汗直冒。
小心地挪步远离实验展台，一边等候的研究人员才笑出声来。“这个光井其实是利用了光的反射和折射原理。”研究人员笑着称，万丈深渊实验是由半反半透镜、反射镜、装置于它们中间的岩石模型及灯光装置和地台构成。当参观者从地台表面经过时，向下望去，就会看到半透半反镜多次反射岩石模型产生的“万丈深渊”场景。
“在生活中，还有许多有趣的几何光学现象，它与我们非常亲近，是物理学离我们最近的风景，可在科普和物理实验教学的初级阶段发挥主要作用。”在光学厅中，有的利用了半反半透镀膜，有的利用了曲面镜反射成像，有的利用了光线连续折射，它们以奇妙的光学景象将光的直线传播、反射、折射、透射规律多样化地展开，牵动参观者视角的转换，激起参观者思维的发散。
辉光球实验 俞碧寅 摄
辉光球就是典型的一个实验。辉光球又称为电离子魔幻球，它的外观为直径约15cm的高强度玻璃球壳，球内充有稀薄的惰性气体，玻璃球中央有一个黑色球状电极，球的底部有一块震荡电路板，通过电源变换器，将低压直流电转变为高压高频电压加在电极上。通电后，震荡电路产生高频电压电场，由于球内稀薄气体受到高频电场的电离作用而光芒四射，产生神秘色彩。由于电极上电压很高，故所发生的光是一些辐射状的辉光。
演示伊始，研究人员就将光学厅的光源全部关闭，辉光球在黑暗中绽放出绚丽的光辉，不断地弧线游动在球体的内部。研究人员从抽屉中取出日光灯，当日光灯靠近辉光球时，它突然亮了起来。面对这种现象，参观者显然很感兴趣。
“辉光球和霓虹灯、日光灯的应用原理非常相似。实验中日光灯会亮的原理，在于辉光球周围存在一个高压电场，当日光灯靠近辉光球时，日光灯两端有一个电压，两者中充有稀有气体，光管里面的气体就会发生电离，从而发光。”研究人员说。
接着，研究人员示意记者用手指接触辉光球，此时球体周围的弧线变小甚至消失，光线几乎都集中在手指附近，产生的弧线顺着手指的触摸移动而游动扭曲，并随手指移动而摆动，美不胜收。
研究人员解释，当辉光球工作时，在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场。当用手（人与大地相连）触及球时，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，球中心与手之间存在一个极大的电势差，且球中的气体已被电离，在球与手之间形成通路，自然就产生了弧线随着手指起舞的神奇现象。
风洞实验。 俞碧寅 摄
风洞实验：飞行器的摇篮
摸索着从光学厅的转角走出来，一下子仿佛从黑暗世界中迎来了光明，力热声学厅出现在眼前。
一架小巧的飞机模型旁边围拢了一圈参观者，还有人掏出手机从多角度拍摄录像，仿佛在参观稀世珍宝。在研究人员的操作下，装置中的风机给风，嗡嗡的噪音逐渐加大，飞机模型倏忽颤动了一下，随之腾空而起，飘浮在空中，变成了一架真正的“飞机”，跟着气流的变化而升高降低，引发惊叹声一片。
风洞实验，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。在学术界，风洞被喻为“飞行器的摇篮”，流传着“有什么样的风洞，才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。
研究人员说，由于目前的空气动力学理论发展尚不够成熟，因此，实验研究是当前唯一可信的研究手段。设计出一架飞机、一辆汽车或者一枚火箭，为了验证设计是否科学，需要先做一个小的模型，对其吹风，利用各种实验技术观测空气如何流过模型表面，测量模型表面的速度、压力以及温度，继而再计算出涡量场、热流场等各种数据。“无论是波音747，还是国产大飞机C919，风洞实验都是必不可少的。”
力热声学厅的奇妙之处不止于此。有的演示通过看似反常的现象使人重新认识基本物理规律，例如锥体上滚实际展示了刚体质心在重力作用下自发下移的过程；又如最速降线告诉我们，两点之间用时最短路径的距离不一定最短；蛇形摆则将摆长决定周期的单摆运动做出了有规律的花样摆动……一切实验都捉摸不透，却又有迹可循，给人留下的印象久久不能忘怀。
浙江大学物理演示实验室负责人郑远自豪地说，力热声学厅作为自主创新的主要展示区，其中还放有许多学生自主设计制作的演示仪。例如多吸引子混沌电路、旋风小球演示、电晕电机、多边形涡旋、多级无线充电、人造海市蜃楼、超声波悬浮等。学生作品连续6年在中国大学生物理学术竞赛全国竞赛中获得了3次特等奖和3次一等奖。
浙大物理学系将“以生为本”作为自己的基本教学理念。学生的优秀作品经过教师团队的完善，可以成为教学研究类论文的主题，也会成为进入实验课堂的教学仪器。“通过师生的创造力，给演示实验室以及基础物理实验教学带来源源不断的活水，形成可持续的发展动力，在前期构建的科研基础训练、科研能力训练和特色专业训练的专业平台基础上增添以演示实验为载体的新平台，推动物理演示实验室跨越式发展进入引领示范新高度。”郑远说。
静电实验：长发女生变了发型
冬春之交，最是寒风料峭时。一件厚实的毛衣，就可以在凛凛北风中，给人一种温暖的幸福感。当然，毛衣摩挲带来的静电，也让人有些小苦恼——每逢推门、握手、扶栏杆……我们总是胆战心惊，生怕静电“啪”地给手来这么一下。
刚转过电磁学厅的转角，一眼就能看到矗立在压轴位置的静电装置。从外观看上去，它是一个泛着银色金属光泽的大球体，没有什么特殊之处。不过现场的科研人员告诉记者，通电之后触摸球体，体验者的感受将大不一样。同时，科研人员在装置的周围拉了一圈黄色的警戒线。
不出所料，该装置就是电磁学厅最先演示的实验。挤在黄线以外的诸多参观者跃跃欲试，不住向着科研人员招手，企图当上第一个“吃螃蟹”的人。一位长发女生成为“幸运儿”。在科研人员的引导下，这位女生很快站上了半米高的绝缘台，摊开手掌，单手贴紧球体。台下的参观者们目不转睛地看着她，迫切期待着通电后的神奇现象。
在科幻电影中，如果有人触摸静电装置，那么他的浑身毛发会竖起，顶着一颗“爆炸头”。在物理演示实验室的实验中，却没有想象中头发一根根竖起，像猫咪“炸毛”一样的场景。不过随着该女生左右摆动头发，逐渐有部分发丝溜出了“大家庭”，呈辐射状跑开，让她拥有如雄狮鬃毛一样蓬松的发型。离开静电装置后，该女生的头发仍然乱蓬蓬的，直到一段时间后才听话地柔顺下来。
实验中，头发因为静电竖起。
研究人员说，这个静电装置叫做范德格拉夫起电机，能够通过传送带将产生的静电荷传送到中空的金属球表面。人可以站在绝缘的椅子上，用手按着起电机的球形金属罩。“通常情况下，人是导体，当人接触静电装置时，电荷转移到人体上，人带上了与静电装置相同的电荷，于是人的头发因带同种电荷相互排斥而显得蓬松竖起。”
漫步在电磁学厅，展台上一个有着明暗交替表现的实验，吸引了许多参观者的兴趣。在一条短短的轨道上，两个带有灯泡的金属线圈相互靠近，灯泡就会亮起，相互远离则会渐渐变暗直至熄灭。
“这其实就是我们在日常生活中普遍应用的无线电能传输技术中的一种。事实上，电磁感应解决方案在技术实现上并无太多神秘感。”研究人员介绍说，初级线圈一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。“通过演示将电与磁联系起来，不仅表现出电磁之间的相互作用力，还能引出电磁辐射以及其携带能量和信息的概念。”
浙江大学物理学系主任王业伍说：“演示实验室是一个以教学、交流、互动、演示为主题的综合实验教学场所，以及提升科学素质的科普基地。”
眼下，王业伍还有几个小目标：“我希望物理演示实验室不仅能把理论和实验教学紧密结合，将实验教学引入课堂，同时引导学生参与演示实验研发和互动教学，培养学生创新能力和协作精神。最重要的是，它可以面向我省中小学生及公众开放，成为培养大众科学探索、提升大众科学素质的窗口，努力成为社会认可的新一座科普基地。”
