合作共建“物理科学体验”活动

物理学是研究我们周围物质世界的学科，它和我们的生活息息相关，是现代科学的重要组成部分，是所有基础教育的必修课程。为了丰富中学生物理科学教育内容，用更多更好的教育资源来提升教学质量，提高学生科学素养，重点大学实验室与前途出国协商，合作共建“物理科学体验”活动。

该活动面向有志于深入理解和探索物理科学的高素质学生，通过在一线科研实验室的体验和实践活动，了解现代物理科学研究的前沿知识，提高学生对现代物理科学的认识，培养良好的科学素养。

项目内容包括：

1：短期项目（1天）：“压电能量收集技术体验活动”

2：科研夏令营项目（2周）： “压电能量收集技术”科研夏令营活动

3：长期项目（16周）：压电能量收集技术研究

前途出国负责学生招募，生活和安全管理，并提供资金支持。实验室教师负责教学，提供教学场地和教学所需资料和实验用品，并指导学生进行科研实践。

1：短期项目（1天）：“压电能量收集技术体验活动”

活动计划：

2：科研夏令营项目（2周）： “压电能量收集技术”科研夏令营活动

该项目面向对科研工作有浓厚兴趣，愿意亲身了解和进行科研实践训练的学生。活动为期2周（每周五天）。学生将在实验室科研人员的带领下，进行短期科研培训，参与实验室科研工作，学习和掌握一定的科研知识和实验技能。

3：长期项目（16周）：压电能量收集技术研究

该项目面向对科研工作有浓厚兴趣，并准备投入相当时间和精力进行深入系统科研训练和实践的学生。学生将在实验室教师的指导下，学习和掌握系统的科研知识和实验技能，参与到研究课题的具体工作中。学生每周至少要有4小时的实验室工作时间和2小时的线上交流时间。

长期项目介绍：压电能量收集技术研究

近年来，能源问题一直是最受关注的问题。一方面是石油、煤炭等不可再生能源的日益枯竭，另一方面是生产和生活中各种热能、振动能的白白散失。振动的能量是一种机械能，比如生产中各种机械的振动，车辆的振动，海浪的振动，甚至身边吹过的风，风就是空气的振动。这些振动都具有机械能，但是在日常生活中几乎都白白散失掉了。如果能够将这些能量收集起来，重新利用，将会带来巨大的社会与经济效益。

压电能量收集技术是利用压电效应将环境中的机械能转化为电能的技术。目前国内外对此已经有了很多的研究和应用。日本的JR东日本公司已经在东京车站小规模试验压电地板，利用乘客走动的机械能为电子检票机供电。2006年王中林发表基于ZnO压电性的“纳米发电机”论文，它能收集环境中微小振动的机械能并将其转变为电能，为其他传感器供电。目前国内的压电能量收集技术研究用于实际应用的还比较少，在压电能量收集器的构造、设计、材料等方面还有很多研究工作可以开展。

以风能为例，风就是空气的振动。目前风能利用的主要形式是基于地面的风车涡轮机组，也就是大家熟悉的大风车。风车发电利用的是地表风能。但是，在空中却有着更丰富的风能资源。如下图所示，在2000英尺的高度下，北半球大部分地区超过40%的时间风速超过8m/s。其能量密度（kW/m²）可与世界上最好的地面风力区域相媲美。在3500英尺高度，平均能量密度超过20kW/m²。这对可再生能源系统是十分重要的。目前，世界上至少有30个新兴企业和研究小组都在努力让空中风力发电成为现实。

图：空中风能的平均能量密度图

本项目将基于各种高性能压电材料，带领学生逐步深入掌握和领会压电能量收集技术的科研工作方法和要领，逐步熟悉各项实验技能。学生将在实验教师的带领下，学习和掌握查阅分析文献的方法。通过前期的培训，学生将针对环境中各种振动自主提出压电能量收集器的模型，对比文献，讨论可行性。学生将通过CAD自主进行模型设计，在实验教师指导下通过Comsol进行模型仿真，分析和讨论仿真结果数据。学生会利用3D打印技术，根据仿真结果制备原型实验器件，并测试实验器件的相关性能参数。学生将掌握整理实验数据和绘制图表的方法，自主完成实验总结，形成实验报告。