研究¶

初步分析¶

对题意和原理的分析是必不可少的，以IYPT2018第五题为例：

When a drinking straw is placed in a glass of carbonated drink, it can rise up, sometimes toppling over the edge of the glass.

Investigate and explain the motion of the straw and determine the conditions under which the straw will topple.

初步的翻译结果大致是这样的：当一支吸管放在一杯碳酸饮料中会上浮，有时会从杯壁上翻倒。研究并解释吸管的运动，确定吸管翻倒的条件。

明确现象¶

题中说了放置(placed)，那么究竟是怎么放置的？是斜着插入饮料、还是横在水面上、或者是竖着立在杯底？光看这句话是无法分辨的，三种都有可能。

后面说吸管可能从杯壁上翻倒(topple over the edge，翻译未必准确)，什么样算是topple？是从杯子里翻出去、还是从树立在杯中央的状态开始倾倒在杯壁上？

稍微做一些实际的测试，或者联系实际的经验，就知道上述的第二种现象是常常发生的，而第一种似乎不可能，但我又提不出第三种合理的诠释。考虑到题中说topple的现象是有时(sometimes)发生的，那么似乎又不是在说第二种，因为一般的吸管放在饮料里通常都会靠在杯壁上，除非吸管相当粗而重从而很容易就能竖着立在杯底（也有可能竖直浮在杯中而不接触杯子）。

原则上来说，两种立意都说得过去，研究的对象只要是符合题意的、说得通的就都没有什么可以诟病的地方，但它们的研究价值可能不一样，有的现象平凡、有的稀奇，有的现象有重要的实际应用、有的则没有——不过在我们这个主要以生活附近的现象为主题的研究中，一般不会考虑实际应用的价值。

去年我们做这题时，在尝试阶段观察到了第一种现象：把吸管放进饮料，然后就靠在了杯壁上，一会儿之后吸管就翻出了杯子。这让我们感到很新奇：它是怎么做到的？相比之下，另一种立意显得有些无聊，没有意料之外的事情——意料之外的事情正是研究中通常最让我们感兴趣的。于是我们就决定研究这个翻出杯壁的现象了，最感兴趣的问题就是“吸管是怎么翻出去的”，对这个问题的解答也自然包括题目中的任务目标：解答“什么情况下吸管会翻出去”。

理解原理¶

确定了研究的目标之后，就要定性地分析现象的原理。我们关心的是运动问题，那么自然就采用力学的观点，进行受力分析。

吸管可能受到的影响比较大的力有：弹力（支持力）、重力、浮力、吸管上附着的气泡提供的“附着浮力”、液体中运动造成的粘滞阻力、吸管一端与杯壁的摩擦力。实验观察表明运动是比较慢的，所以初步的分析中可以考虑粘滞阻力这个与速度正相关的力。现象发生时首先吸管被放入饮料然后倒在杯壁上，一端伸出杯子、一端抵在杯底的边缘上，此时力和力矩都平衡。当饮料中气泡积累到一定数量，附着在吸管上的气泡能够打破这一平衡，使吸管上浮并旋转。随着吸管上浮，浮力会减小，但吸管会伸出更多从而使得重力产生的角加速度增大。当吸管下端接近液面，还会有表面张力来阻碍吸管的下端离开液面，不过这个力通常不大，或许可以忽略。只要此时吸管已经伸出足够多，吸管就会翻出去。

由上分析可知，现象的发生需要多个过程成功发生：吸管在杯中稳定（没有气泡也能翻出去的话，就没有特殊性了）、气泡提供的力克服了重力和摩擦力等力使吸管上浮、吸管伸出更多以后仍能上浮（要求重力的增强比浮力的削弱更显著）、吸管下端达到液面后仍能翻出去（要求重力力矩足以克服摩擦力和表面张力的影响）。于是进一步定量理论分析的目标也就明确了，就是利用力学规律计算什么装置参量能够同时满足以上要求。

只要有理论知识，在上述分析之前就可以大致确定有哪些装置的力学性质是值得注意的：杯子的形状和尺寸、液体的黏度和密度、液体填充量、吸管的密度和长度、吸管与杯壁间摩擦力的强度、碳酸饮料的气泡产生速率和附着效率。了解原理以后还可以更明确地定性分析这些参量如何影响，这里不再赘述，读者不妨自己试试。

正式研究¶

正式的研究中涉及的要领都是具体的，在此我只能提一些重要原则和值得特别注意的地方。

实验¶

在之前的探索中，你可能已经搭建过简易的装置来观察现象。但如果需要进行精确的实验测量，装置的严谨搭建就需要格外注意了，唯一的改善方法就是不断思考、不断测试哪里可能有意料之外的疏漏影响了你研究结论的可靠性。在实验中，有几点值得特别注意：

根据你的需求来购买器材，不一定要因为某些器材容易得到就使用它们。如果你的研究方案在现有条件下不能直接实现，寻找更巧妙的方案或者换一种研究思路。如果你不知道自己的需求或没有一个研究方案，说明你还需要通过简单的探索和测试来收集信息，在那之后你才能走到这一步。
如果你打算忽略装置某处的不严谨之处，你最好通过理论或实验粗略估计这样做造成了多大的影响，并且把估计的结果作为证据记录下来。
有些领域（如光学）有实验装置搭建的一些规范，如果有就先加以了解并应用之。
搭建好实验装置之后，还要尝试进行一些你可能用得上的测量，从而在熟悉操作方法的同时了解装置搭建和测量的方案有没有什么不妥之处。
许多实用设备的功能都是复杂的（比如手机相机往往会默认地进行自动对焦和图像优化），可能有意料之外的机制影响了测量到的结果。要么选用更简单的设备（比如使用CCD代替手机拍摄），要么使用可控的设备（比如使用专业的摄影相机或者拍照软件）。

数据处理¶

对实验数据进行处理通常是要将其整理并可视化（看一张图得到信息的速度比看一张表格要快得多），或是计算某个评价指标（如统计上的线性相关系数）。

必须掌握数字修约方法和不确定度的有关知识。
如果数据处理的任务复杂而繁重，可以使用计算机技术自动化地进行数据的采集和处理。

理论分析¶

理论分析的目标可能有很多种，但最常见的目标就是要使用普遍的物理规律预测某个具体模型的某些物理量的变化和分布规律。特别的建议有：

当问题过于复杂而使得你无法前进时，可以做一些近似或者换一种分析方法。寻找物理模型是否有简化的余地，求助于其他的数学工具以及计算机。可以使用带有符号计算功能的数学软件帮助你进行你所不能完成的推导，比如尝试对微分方程求解析解。如果你需要挑选使用什么工具（技术、方法、软件等），可以自己搜集资料决定，也可以向有经验的人请教。首要原则是要能解决你的问题，其次是要更有效率。许多情况下使用较完善的现成工具是好的，这样的工具资料更多从而易于学习、功能更强而更容易解决问题：不要重复发明一遍轮子。
关于重新发明轮子的问题，实际上也要把握一个度。许多时候就参赛者有限的能力而言，能够理解、重复前人的结果就已经是不错的进度了，完成这一步之后再考虑改进往往是更好的。在对力学运动的研究中，你完全没有必要重新从介质界面力学出发去寻找新的表面张力公式，用现成的经验公式也并不很差。但对于某些你完全摸不着头脑的情况，比如对于某些完全不在你已学过的知识之内的现象，你还是很有学习其基本理论的必要的。
对于许多领域的问题，你能找到的参量之间并非独立，为了避免多余的研究、揭示现象的本质，应该对各个物理量进行“无量纲化”。
专注于这个现象特别的地方，忽视那些不必要的因素。最杰出的一类物理学家能够做出尽可能夸张的简化、近似，同时保证结论没有多少偏差（当然，前者成立后者不成立的情况就是败笔了）。
得到结果以后，为了保证没有疏漏，做一次彻底的检查是很好的。这也能帮助你整理思路。

结论¶

给出结论原则上说只需要实验结果的支持，但如果你能够通过实验验证理论模型的有效性，就能一定程度上支持那些未被严格验证的理论分析结果。结论应当是一系列有价值的论断，并且它们得到了证据的支持从而成为科学的知识。