1911年2月，叶鸿眷考取了北京清华学堂，成为“游美肄业馆”更名“清华学堂”之后走进清华园的第一批学生。
所谓游美肄业馆，也叫游美预备学校，是旧中国学界通向当时美利坚合众国的唯一出口。
1901年，清政府在八国联军威逼下订立丧权辱国的《辛丑条约》。各国列强获得了高达4.5亿两白银的巨额赔款。美国人也分得了一杯羹，然而，这杯羹委实太肥美了，清政府的慷慨让美国人有些不好意思，美国国务卿海约翰当着中国驻美公使的面承认“庚子赔款实属过分”，于是表示余下部分可以退还中国。这个“多余”的部分本金约合1100万美元，以当时的情形，这该是一笔天大的数额。为了不使这笔款项流失，当时的清政府和美国人几经磋商，终于定出以今人眼光看也颇具先进性的决策：将退款作为“兴学育才”之用。
自西方的坚船利炮敲开中国大门之后，国人的记忆层面往往聚焦在器物上，于是“中学为体，西学为用”应运而生，实用主义成为当时洋务运动的核心思潮，不久即成为中国社会的主流思潮。学习西方科学似乎在知识界和权力阶层达成了共识，“师夷长技以制夷”，中国人把西方科学的作用降低到了实用和工具的层面上，不惜斥巨资购买当时世界上最先进的军舰和火炮，以为奇货可居就能包治百病。哪知道甲午海战一开，北洋水师顷刻间灰飞烟灭，不仅宣告了洋务运动的失败，也证实了所谓“体”、“用”之辨的褊狭。正是在这失败的废墟上，国人痛定思痛，才意识到要想强国安邦，必须要“开民智，强国基，乃急务也”，在这样的思潮影响下，清朝政府才把目光放到教育上，并且因着战争赔款的关系，一开始就把目光锁定在强大而先进的美国。
按照中美协议，中国政府从接受“退款”之日（1909年1月1日）起，须连续三年，每年选送不少于100名学生到美国接受高等教育，称之为“直接留美生”。同时还在京城“清旷地方”建一所留美预备学校，学制8年，毕业后全部派送到美国留学。这些学生赴美后，须“十分之八习农、工、商、矿等科，十分之二习法、政、理财、师范诸学”。1909年6月，清政府在北京成立了“游美学务处”，地点就在今天东四附近的史家胡同。
从1909年到1911年，游美学务处共招送了4批直接留美生。另外，又紧锣密鼓筹办起留美预备学校，当时被清政府命名为“游美肄业馆”。该馆的办学方针是：“沿用美国高等、初等各科教习，所有办法均照美国学堂，以便熟悉课程，到美入学后，可无格。”肄业馆招收的学生分高等科和中等科，以当时的叫法曰“第一格”和“第二格”，招收学生必须符合“身体强壮、性情纯正、相貌完全、身家清白”等条件。1910年3月，清政府学部制定了《考选学生及考送游美学生办法》，其中规定：肄业馆的学生，除由学务处在北京直接招收一部分外，大部分由各省“提学使”分别在各省招考，经过各省初试后保送来京复试，合格者入肄业馆学习。各省保送的名额，则是根据各省所摊缴的庚子赔款额的多少而定。当时江苏省所摊赔款最多，因此保送名额多达26名，而云南贵州等省因摊款甚少，每省只有两个名额。
1909年8月，清廷允准外务部、学部所奏，将地处西郊荒芜的“小五爷园”修葺一新，始建成清华皇家学堂。
小五爷园原是熙春园东半部的一部分。熙春园原是康熙的行宫，传至道光时，该园被分割成东西两部分，西为后来的咸丰皇帝所得，东为咸丰的一个弟弟所有。咸丰即位后，将“小五爷园”更名为“清华园”，并亲书匾额悬于宫门之上，至今我们在清华大学工字厅大门上还可以看到咸丰皇帝的手迹。
13岁的叶鸿眷迈进工字厅大门时，也曾认真端详过这3个端庄而工整的大字。那时的清华园外墙多用虎皮石砌成，新抹的石粉还亮得晃眼。墙内多有新植的松槐桧柏，更宽阔处也有花圃点缀。清华园起伏在苍茫而辽阔的韵致里和帝国晚照的余晖里，给向学的人以难以言状的感动。
1911年3月30日，“游美肄业馆”举行开学典礼。礼堂正中悬挂宣统皇帝的圣像，每个学生三跪九叩谒见礼毕，再谒见本校师长。行礼之后，当时的游美学务处总办周自齐及游美肄业馆监督（校长）范源濂先后发表演说，把何以游美的曲折一一讲述给全体师生，其爱国情怀和对学子们的殷殷期望溢于言表，学生中时有欷之声。就在这次开学典礼上，游美学务处总办周自齐宣布经清廷议准，游美肄业馆改为“清华皇家学堂”。后因辛亥革命爆发，故把“皇家”二字革去，始称为清华学校。
叶鸿眷被感动着。以他13岁的心智，他并没注意到帝国大厦已岌岌可危。此时辛亥革命的风暴正在酝酿，广州起义的枪声已经响起。清人曾以“剔发令”的威势立国，如今却不得不对各地的剪辫子风潮睁一只眼闭一只眼。而这些颓败景况似乎并未影响到清华园。相反，这里的一切却显得生机勃勃，犹如一棵龙钟老树新发的嫩芽，在1911年春天的阳光里，枝脉挺拔，叶片油亮油亮地生长着。叶鸿眷被挟裹在这春天的好心情里，他在学堂代数、几何、三角等数学摸底测试时成绩优异，教习鼓励他参加第一格（高等班）考试，叶鸿眷的英文水平在第一格中仍属上乘，他的聪慧引起了同学们的注意。
吴宓大叶鸿眷4岁，他是占着陕西的名额考入清华学堂的。他在日记里这样写道：“今日与试学生，多系小孩，老大甚少。类皆鲜衣美服，欢呼喜跃，纷呶喧逐，不计在校部考棚内也。吾辈年岁已长，与若辈相竞，实增惭怍。且与试诸生中，颇不乏聪俊之士，考试交卷皆非常之快……余曩在宏道蹉跎数年，虽获毕业，曾亦何幸，乃今入此校，目睹他省学生，有年龄幼稚而英文程度极深者颇不乏人。余班次之分，英文列在2b，极为低微。乃上课数日，终朝温理读本，殊觉费力。又惧陨越人后，则当如何……”（《吴宓日记》1910-1915卷，三联书店1998年版，第48页）
叶鸿眷正是吴宓笔下的那种“年龄幼稚而英文程度极深”的“聪俊之士”，他此时虽和吴宓都属第二格同学，但互相之间还并不认识。此时前来清华学堂就学的学生共有468名，其中有各省招送的学生184名，以及历年在北京招考正取、备取的学生248名。近500名学生济济一堂，在京西一隅，很快就展开了学习上的角逐。按照清华校制，学生不定班级，只是将所学各科分为若干等级，按学生对于各科掌握程度的高低而分班次。每人必须按校方规定修完所学各科，因此，每个人的修业时间表都不一样。比如吴宓，他的国文程度可在五六年级，但英语水平却在一二年级。清华学堂学制8年，如果修完高等科，可直接送至美国大学学习。吴宓须将在国文学习上省下来的时间再补到英文学习上，相对于国文、英文兼优的叶鸿眷这样的学生，吴宓自觉“吃亏亦已甚矣”。
入学不久，被激情和感动所笼罩的叶鸿眷在自己的日记里这样写道：要想洗刷民族耻辱，要祖国强盛，必须加强自身的学识和修养，努力学习科学知识。
正当他弓满弩张专志学业的时候，辛亥革命爆发了，清华学堂被迫解散，叶鸿眷不得已又回到了家乡上海，为了不荒废学业，在征得家人同意后，叶鸿眷又报考了上海兵工学校并被录取。这样，在辛亥革命的隆隆炮声中，叶鸿眷再次选择了平静的书桌。在兵工学校期间，化学老师吴蕴初给他留下深刻的印象。
一天，吴蕴初把一首杜牧的诗写在黑板上：
折戟沉沙铁未销，自将磨洗认前朝。
东风不与周郎便，铜雀春深锁二乔。
吴蕴初问：这是一首什么诗？同学们回答各异，有人说是绝句，有人说是咏史诗，更有人说是叙事诗。叶鸿眷站起来，不慌不忙地说：这是一首哲理诗。吴蕴初眼睛一亮，问，为什么是哲理诗？
老师问得突兀，叶鸿眷一时语塞。但他没有放弃，认真想了想回答说，因为这首诗容纳了过多的东西，涵盖自然过程和物理过程，让人联想丰富，并且给人以启示。
吴蕴初鼓起掌来。
很好，吴蕴初说，这首诗之所以说是哲理诗，就因为它通过一件器物，使我们看到了诸多关系，又从诸多关系中求证出时间与空间、历史与现实、自然与社会的某种线索。比如杜牧诗中的这支铁戟，经过战事的淬炼，以战戟的身份跌落在滔滔江水之中，从人之手进入自然之手，回复到它纯粹的物性和物化阶段。从它沉入江水之中的锈蚀过程，我们可以看到时间的印痕；而它自身物性的变化，从一件闪亮锋利的兵器变成锈迹斑斑的铁器，我们又看到了一个化学过程；而江水川流不息推动着泥沙，不断地冲刷磨洗它的过程则是一个物理过程；如今这件器物被打捞上来，人们又从它的身上联想到三国的战争风云，感叹倘若失去一个小小的偶然因素，美丽青春妩媚动人的大乔小乔的命运或许就会被改写，因此，从这首诗里我们会认识到物理、情理与哲理等诸多层次，这就是杜牧这首诗赋予我们的意义……
多年过去了，叶鸿眷还记着吴蕴初先生的这堂课。这堂课后，他把杜甫的诗句抄到了自己的笔记本上：
细推物理须行乐，何用浮名绊此身。
这是杜甫在唐肃宗乾元元年所作《曲江二首》里的两句诗。这恐怕是汉语中最早出现“物理”这个词，虽然它的含义与后来并不相同。世间万物，盖由物质构成，物不仅有质且有理，研究一切物质的基本原理，就是“物理”。
从那时起，心事浩渺的叶鸿眷就开始了他的“细推物理”之路。他开始偏爱“理学”。理学的玄妙和变幻莫测，使他怦然心动，他的心灵被曲径通幽般的逻辑迷宫深深吸引了，在这个丝丝入扣的理性世界里，他仿佛找到了生命的节拍，那些神秘而充满诱惑的解就是他的欲望，而每一个答案都会给他惊喜。他在意志力和判断力的双重牵引下，不断升高，升高，渐渐达到非同寻常的高度……
1913年5月的一天，叶鸿眷听闻清华学堂重新开办之后，立即邀来沪上同学去豫园游玩，意为祭别过去，给自己一个交代。
豫园原是私人花园，主人为明末四川右布政使潘允端，潘氏建造此园，原是让父母在这里颐养天年，故取名“豫园”。“豫”是《周易》六十四卦之一卦，含有平安健康之意。后来潘家家道中落，几度将此园分割售人，使这家著名园林支离破碎。到了清同治六年，这里更被21家工所分租，几经辗转之后，产权渐移为私人所有，那些人就在此地辟建酒肆茶楼或商号店铺，到晚清时，这里已是上海的商业娱乐和经济活动的重要场所了。
叶鸿眷和同学们来到豫园的一家照相馆。两年前，为了报考游美肄业馆，他们几个曾在这里照过一张合影。那时的叶鸿眷身着黑衣马褂，领子上缀有羊毛翻领，稚气写在脸上，表情却还自然。许是这张合影给他们带来了好运气，到了北京后他们竟然全被录取。对于前程身怀希冀的他们，仍想延续以前的好运气，于是他们几个又在老地方照了一张合影，在聚光灯前又对往事重温怀想了一回。
照完合影之后，叶鸿眷又照了一张单人照。那天他特意打扮了一番，身着白色长袍，脚穿尖口黑色布鞋、白色布袜，还戴了一顶当时上海很流行的颇像礼帽的平顶草帽。这样的装束对他有些陌生，因此他的行止就有些古怪。他一向只埋头书斋，而这样的扮相是那些上海滩上的“白相人”所为，一向衣着朴素的他不知道如何自然而熟练地戴这顶帽子。起初他把帽子摘下来，但在周边同学们的鼓动下，他又戴了上去。在内心深处他也想让自己“洋”一回，算是对自己寂寞青春的一个补偿。
叶鸿眷在众人的笑声中站在了镜头前。那么多目光射向自己，他有些紧张。照相师傅不停地调节着灯光，似乎没有工夫注意眼前这个腼腆的年轻人，而叶鸿眷则利用眼下的空当不停地调整着自己的身体，以适应这个陌生的环境。他的身旁有个花架，架上有一盆正在怒放的牡丹花，他的身后是布景，画的是公园一角，近景是玉树临风，幽深处有翠绿掩映着亭台。叶鸿眷突然想起自己和这个画面的关系，怎样才能让人看着更像是融入其间而不是一个匆匆过客呢？他觉得最好是和身旁的花架发生联系，于是他把手伸出来，抖抖索索地攀扶了一回，竟不得要领，而照相师傅这时已把诸事准备完毕，突然命他注意向前看，无奈间，他只得把手垂下，摸着花架的底部，局促不安地抬起了头……
照片洗出来了，照片中的叶鸿眷显得拘谨而又滑稽。那顶时髦的草帽没有显示出应有的效果，反而成了让人发笑的道具。叶鸿眷有些伤感地看着自己青春期的尊容，在照片背后来了一段自我评价：
（一）戴平顶草帽则照片形式不佳
（二）右手置花架上置法尚未得宜
（三）二足如此摆列不雅观
（四）长衫多皱处
我们从这些检点上看到了15岁的叶鸿眷已经萌生的内省机制。他的内敛和谦逊是在自我观照的基础上点点积累而成。一个懵懂少年，往往会很粗心地对待青春期的自己和他人，然而叶鸿眷却不，他已经有了理性的目光，并且不失时机地用这种审慎的目光检查自己、训导自己。他已经长大了，有了自我意识，而这些素养和他的年龄不太相符，因此，有人说他是少年老成。