FAST射电天文望远镜工程探究
徐州一中综合实践活动(研究性学习)课题实施方案申报表
课题名称 |
Fast射电天文望远镜工程探究 |
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课 题 组 成 员 及 有 关 情 况 |
姓名 |
性别 |
班级 |
职务 |
学号 |
侯晓彤 |
女 |
高一(13)班 |
文艺委员 |
1302 |
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吴光耀 |
男 |
高一(9)班 |
物理课代表 |
0938 |
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史经顺 |
男 |
高一(4)班 |
无 |
0430 |
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舒一博 |
男 |
高一(2)班 |
无 |
0225 |
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课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容 |
课题一:通过对比平面,球面,抛物面的光线聚焦效果差异,探究哪种反射面更有利于射电望远镜对无线的收集 课题二:对比不同材料对无线电波的反射效果,探究射电望远镜旋转反射面的理想材质
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研 究 假 设 |
课题一:抛物面对光线聚焦效果最好; 课题二:金属材料对无线电波的反射效果最好 |
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研 究 方 法 |
小组讨论、试验、查阅资料、实地测量 |
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研 究 步 骤 (各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排) |
课题一:平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异探究 一.第一天:观看学习平台实验指导视频,了解相关背景知识 二.第二天:进行实验操作 1. 制作反射器 2.测定光线聚焦效果并记录 三.第三天—第五天:整理实验数据,得出结论,撰写论文,制作答辩PPT 课题二:探究不同材料对无线电波反射效果的差异 一.第一天:观看实验指导视频,完成平台学习任务 二.第二天:进行实验操作 1.将小车和遥控器上的金属天线去除 2.在地上贴长约10cm的铝箔胶带,将小车放在胶带前,将皮卷尺垂直于胶带放置,零刻度线与车尾对齐。 3.用不同材料分别包裹汽车遥控器,测量最远控制距离 4.记录实验数据,重复三次实验,求得平均值。 三:第三天—第五天:整理实验数据,分析得出结论。制作答辩PPT,撰写论文 四:第六天:制作科探方舟海报
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成 果 形 式 |
1. 答辩PPT 2. FAST射电天文望远镜工程探究论文 3. 科探方舟海报
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论 证 小 组 意 见 |
1. 该小组实验过程态度认真严谨,实验设计采用控制变量等实验方法,分两个课题分别探究了影响无线电波吸收的因素,值得表扬。 2. 关于课题一对于反射面的探究,在动手操作的基础上,可采用数学建模(如几何画板)来进行分析,这样论证会更加严谨,易于发现规律。 3. 课题二中只采用一套遥控小车进行试验,实验结果具有偶然性。可采用多种无线电遥控设备进行实验,使实验结果更具有普遍性 论证人签名: 年 月 日 |
徐州一中综合实践活动(研究性学习)记录表
课题题目: Fast射电天文望远镜工程探究 |
编号: |
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活动时间: 10月1日至10月17日 |
第 1 次 |
活动地点: 徐州一中 |
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指导教师: 潘天文 |
班级:高一(13)班 |
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参加活动成员: 侯晓彤、吴光耀、舒一博、史经顺 组内: 侯晓彤、吴光耀、舒一博、史经顺 组外:无
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活动内容: 1. 1)目的(解决什么问题): 课题一:通过对比平面,球面,抛物面的光线聚焦效果差异,探究哪种反射面更有利于射电望远镜对无线的收集 课题二:对比不同材料对无线电波的反射效果,探究射电望远镜旋转反射面的理想材质 2)形式:试验、实地测量、查阅资料 3)过程: 课题一:平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异探究 1. 制作反射器 (1)裁剪反射面模板 (2)裁剪瓦楞纸板 (3)裁剪纸垫片 (4)粘贴组装 2.测定光线聚焦效果并记录 (1)用激光笔分别照射平面、球面、抛物面反射器 (2)观察反射光线的方向以及是否通过对称轴和焦点 (3)改变光线到对称轴的距离,再次观察光线路径 (4)记录实验数据 课题二:探究不同材料对无线电波反射效果的差异 1.将小车和遥控器上的金属天线去除 2.在地上贴长约10cm的铝箔胶带,将小车放在胶带前,将皮卷尺垂直于胶带放置,零刻度线与车尾对齐。 3.用不同材料分别包裹汽车遥控器,测量最远控制距离 4.记录实验数据,重复三次实验,求得平均值。 4)结果(得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题) 课题一: 1.实验数据记录
2.实验数据分析 当光线垂直平面反射器照射在铝箔上,反射光不通过反射面对称轴,不通过某一固定点; 当光线平行球面反射器对称轴照射在铝箔上,反射光通过反射面对称轴,不通过某一固定点; 当光线平行抛物面反射器对称轴照射在铝箔上,反射光通过反射面对称轴,通过某一固定点,即抛物面的焦点。 课题二: 1.实验数据记录
2.实验数据分析 在不同材料包裹下,遥控器最远控制距离不同,控制距离由远到近分别为橡胶〉塑料〉无材料包裹〉无纺布〉铁丝网=铝箔。 最远控制距离越近,代表材料对无线电波反射能力越强。所有材料中,铝箔和铁丝网对无线电波的反射能力较强;橡胶对无线电波的反射能力较弱。 五、结论 课题一:将射电望远镜的反射面设计成旋转的抛物面,更有利于馈源对信号的收集。 课题二:射电望远镜的反射面材质选用金属,更有利于馈源对无线电波信号的收集。 记录者: 侯晓彤 |
注:1、由课题组长指派专人负责填写,备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份,交由年级处、指导教师、课题组长存档。
徐州一中综合实践活动(研究性学习)课题研究成果报告
题目: Fast射电天文望远镜工程探究 |
编号: |
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课题组成员 |
组长: 侯晓彤 |
组员: 吴光耀 史经顺 舒一博 |
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指导教师:潘天文 |
报告执笔人: 侯晓彤 |
完成时间:2021年10月 |
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主导课程: 科探方舟 |
相关课程:Fast射电天文望远镜工程探究 |
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(一)书面材料 |
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课题成果: 1) 预期的成果: 课题一:通过对比平面,球面,抛物面的光线聚焦效果差异,探究哪种反射面更有利于射电望远镜对无线的收集 课题二:对比不同材料对无线电波的反射效果,探究射电望远镜旋转反射面的理想材质
2) 课题实际取得的成果: 通过手动制作模型,多次实验,得出以下结论: 课题一:将射电望远镜的反射面设计成旋转的抛物面,更有利于馈源对信号的收集。 课题二:射电望远镜的反射面材质选用金属,更有利于馈源对无线电波信号的收集。
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参考书目及资料 [1]“给少年的科学前沿”系列(10)Sarah Scoles http://www.elecfans.com/tongxin/rf/20171122583442.html [2]何艳阳, 高日冉, 蒋炜波. 凸面镜和凹面镜是抛物面镜还是球面镜[J]. 物理通报, 2019(S2):113-114. [3]时空通讯:科学家们监听的宇宙电磁波是无线电波吗?https://baijiahao.baidu.com/s?id=1664243418992713443&wfr=spider&for=pc |
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附录材料(要求提交原始记录)包括: 活动记录表( 1)份 访谈表( 0 )份 实验记录( 2 )份 调查表( 0 )份 测量数据记录( 2)份 |
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(二)实物材料,如制作的图片,模型,照片,事物样本,音像资料等 编号: 名称:反射面模型,遥控小车 制作者:侯晓彤 内容:1.反射面模型:垂直平面反射器,平行球面反射器,平行抛物面反射器
2. 遥控小车:分别用塑料,橡胶,无纺布,铝箔和铁丝网包裹住遥控器并遥控小车,测验不同材料对无线电波的反射效果
功能:1.验证各种反射面的反射效果 2.验证不同材料对无线电波的吸收 |
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(三)演示课题成果所需要的条件,要求(如特别需要,请说明):
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徐州一中研究性学习结题评价表
课 题 |
Fast射电天文望远镜工程探究 |
编号: |
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课题组成员 |
组长:侯晓彤 |
组员:吴光耀、舒一博、史经顺 |
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指导教师:潘天文 |
班级:高一(13)班 |
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评价内容 |
满分 |
得分 |
备注 |
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开题评价(20分) |
开题报告 |
10分 |
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计划制定 |
10分 |
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过程评价 (50分) |
态度 |
10分 |
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合作 |
20分 |
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调查访谈或实验记录 |
10分 |
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研究日记及体会 |
10分 |
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结题评价 (30分) |
形式: 1、文字 2、版式 3、文献 |
10分 |
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内容: 1、完整性 2、创新性 3、研究价值 4、展示效果 |
20分 |
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指导教师评语 :
签章: |
课题评审组意见:
签章: |
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总分 |
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姓 名 侯晓彤 舒一博 吴光耀 史经顺
指 导 教 师 刘芷宁
日 期 2021年10月
课题一:平面、球面和抛物面的光线聚焦效果差异探究
【摘要】通过制作反射面模型,进行不同反射面聚光效果实验,探究不同反射面的光线聚焦效果差异;通过研究文献资料,了解球面和抛物面的光线汇聚效果原理,初步了解射电望远镜收集电磁波原理。
【关键词】电磁波;平面、球面和抛物面;射电望远镜
一、研究背景
宇宙中所有的恒星等天体每时每刻都在向太空发射着电磁波,这其中也有无线电波。无线电波频率分布在约10KHz~3000GHz范围,波长在30000m~10μm范围,由震荡电路的交变电流产生,人类可以通过天线发射和接收。因此,科学家们除了能用光学望远镜查看这些天体,还用射电望远镜、射线望远镜收集观测宇宙天体、宇宙背景辐射等等。
射电天文学的研究始于1933年,源于工程师卡尔·詹斯基的一个偶然发现:除了人类发明的电器可以发出无线电波,宇宙本身自然就能产生无线电波。于是天文学家开始不断改进天文望远镜的技术以探寻宇宙无线电波的来源。普通可见光望远镜的用处很多,而借助无线电波的望远镜,科学家能够探测到不同的宇宙事件——比如黑洞、恒星的诞生与湮灭、行星的形成以及更多类似信息。因此,运用不同的天文望远镜,我们可以观测到不同的“波”,从无线电波到可见光再到伽马射线,最终帮助我们绘制更加完整的宇宙图景。
当天文学家把一架射电望远镜对准太空中的物体时,物体的无线电波到达望远镜的表面。射电望远镜的表面可以是有很多小洞的网状金属层,也可以是铝制实体金属层,它像镜子一样把无线电波反射到第二面“无线电波镜子”上,再反射到“接收器”中。接收器像照相机一样,把无线电波转换成图片信号,能够显示所接收到的无线电波的强度以及来源。
由于不同形状的反射面对于光线的聚焦效果有差异,所以可以通过构建模型来进行探究,以找到最适合收集无线电波的反射面类型。
二、实验材料
瓦楞纸;剪刀;平面、球面和抛物面模板;胶水;铝箔胶带;硬卡纸板;激光笔
三、研究过程
1. 制作反射器
(1)裁剪反射面模板
(2)裁剪瓦楞纸板
(3)裁剪纸垫片
(4)粘贴组装
2.测定光线聚焦效果并记录
(1)用激光笔分别照射平面、球面、抛物面反射器
(2)观察反射光线的方向以及是否通过对称轴和焦点
(3)改变光线到对称轴的距离,再次观察光线路径
(4)记录实验数据
四、结果与分析
1.实验数据记录
反射面类型
实验现象 |
平面镜 |
球面镜 |
抛物面镜 |
平行光镜反射后是否通过反射面对称轴 |
不通过 |
通过 |
通过 |
平行光经反射后是否通过某一固定点 |
不通过 |
不通过 |
通过 |
2.实验数据分析
当光线垂直平面反射器照射在铝箔上,反射光不通过反射面对称轴,不通过某一固定点;
当光线平行球面反射器对称轴照射在铝箔上,反射光通过反射面对称轴,不通过某一固定点;
当光线平行抛物面反射器对称轴照射在铝箔上,反射光通过反射面对称轴,通过某一固定点,即抛物面的焦点。
五、结论
将射电望远镜的反射面设计成旋转的抛物面,更有利于馈源对信号的收集。
六、创新点
利用纸模探究普遍规律,成本低廉,且易于操作和观察。
七、参考文献
[1] “给少年的科学前沿”系列(10)Sarah Scoles http://www.elecfans.com/tongxin/rf/20171122583442.html
[2] 何艳阳, 高日冉, 蒋炜波. 凸面镜和凹面镜是抛物面镜还是球面镜[J]. 物理通报, 2019(S2):113-114.
[3]时空通讯:科学家们监听的宇宙电磁波是无线电波吗?https://baijiahao.baidu.com/s?id=1664243418992713443&wfr=spider&for=pc
附录
实验过程图片
课题二:探究不同材料对无线电波反射效果的差异
【摘要】对比不同材料对无线电波的反射效果,探究射电望远镜旋转反射面的理想材质
【关键词】无线电波;无线遥控;反射面材质
一、研究背景
FAST射电天文望远镜反射面板大部分由铝制的三角形单元面板组成,面板表面还采用阳极氧化的方法镀上一层致密的氧化膜,提高了耐腐蚀性能。
反射面的铝制面板并不是一块完整的金属板,而是密布着一个个5mm直径的孔洞,具有50%的透光率,减轻重量的同时还能透过光线和气流。
本次实验探究的是不同材料对无线电波的反射效果,以便更深入地了解射电望远镜的构造原理。
二、实验材料
小车,塑料,无纺布,铝箔,铁丝网,遥控器,铝箔胶带,卷尺
三、研究过程
2. 在地上贴长约10cm的铝箔胶带,将小车放在胶带前,将皮卷尺垂直于胶带放置,零刻度线与车尾对齐。
3. 用不同材料分别包裹汽车遥控器,测量最远控制距离
4. 记录实验数据,重复三次实验,求得平均值。
四.结果与分析
1.实验数据记录
材料名称 |
最远控制距离平均值 |
塑料 |
18cm |
橡胶 |
20cm |
无纺布 |
15cm |
铝箔 |
0cm |
铁丝网 |
0cm |
无材料包裹 |
17cm |
2.实验数据分析
在不同材料包裹下,遥控器最远控制距离不同,控制距离由远到近分别为橡胶〉塑料〉无材料包裹〉无纺布〉铁丝网=铝箔。
最远控制距离越近,代表材料对无线电波反射能力越强。所有材料中,铝箔和铁丝网对无线电波的反射能力较强;橡胶对无线电波的反射能力较弱。
五.结论
射电望远镜的反射面材质选用金属,更有利于馈源对无线电波信号的收集。
六.创新点
拆除遥控器上的金属天线,使反应不过于灵敏,缩短遥控距离,便于测量和观察。根据控制变量原则,分别用不同材料包裹遥控器,易于操作,节约成本,更加直观。
附录
实验过程图片
- 附件【fast射电天文望远镜工程探究答辩ppt 侯晓彤.pptx】
- 附件【照片1.jpg】
- 附件【照片2.jpg】