尤愛惠 陳顯盈 柳冠凡

摘 ? 要：利用“物理發(fā)明”玩具開發(fā)中學(xué)物理系列實(shí)驗(yàn)，演示各種重力看似減小或消失的趣味現(xiàn)象，不僅體現(xiàn)STEM理念，也有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：重力減小現(xiàn)象;“物理發(fā)明”;系列實(shí)驗(yàn);STEM理念

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）10-0046-4

據(jù)說2020年2月11日這天地球引力最小，于是大家在家里用“掃帚”做實(shí)驗(yàn)，并在微信群曬同一個(gè)有趣的現(xiàn)象：一把“直”立不倒的掃帚。這些現(xiàn)象好像違背了物理規(guī)律，那么真的是重力減小了嗎？

物理課程標(biāo)準(zhǔn)提倡師生利用身邊隨手可得的生活用品自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。“物理發(fā)明”作為在學(xué)習(xí)、生活、工作和勞動(dòng)中，對(duì)那些感到不方便、不稱心的物品或過程，結(jié)合物理知識(shí)加以改進(jìn)、改革和創(chuàng)新的物品或方法，在發(fā)明或使用過程中往往蘊(yùn)含著深?yuàn)W的物理現(xiàn)象或物理原理，如立而不倒的陀螺就是一種常見的“物理發(fā)明”玩具。如圖1所示，我們利用生活中的各種“物理發(fā)明”玩具開發(fā)并演示了各種“立而不倒”“浮而不沉”“懸而不掉”“爬而不滑”“轉(zhuǎn)而不墜”“吹而不落”及“升而不降”等重力看似減小或消失的趣味現(xiàn)象。

1 ? ?“立而不倒”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

下面介紹幾種利用類似陀螺的“物理發(fā)明”玩具演示“站立”而不倒的趣味實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見表1）。對(duì)于“直”立而不倒的掃帚，實(shí)驗(yàn)時(shí)只要掃帚的重心O在地面的投影點(diǎn)O'落在支持面內(nèi)部，就能保持“直”立而不倒，是一種不穩(wěn)定平衡;“人體不倒翁”演員可翩然來回?cái)[動(dòng)，最大幅度接近90°，其原理與普通不倒翁原理相同，是一種穩(wěn)定平衡;對(duì)于“動(dòng)”立而不倒的 “走鋼絲”自行車，由于增加配重其整體重心低于鋼絲，在側(cè)向傾斜時(shí)整體重心會(huì)升高，在重力的回復(fù)力作用下保持穩(wěn)定平衡，同時(shí)在平移時(shí)保持平衡不倒，這又是一種隨遇平衡。

2 ? ?“浮而不沉”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

生活中有許多“懸浮”發(fā)明產(chǎn)品或教玩具，好像被施了魔法重力減小或消失了一樣，其實(shí)這是由于有一個(gè)豎直向上的“隱形”力（視覺假象或不易觀察的力）或非接觸力（如磁力）平衡了重力。其實(shí)，有些“懸浮”現(xiàn)象只是一種視覺假象，對(duì)于懸浮杯，其杯體背面隱藏著一個(gè)手柄，只不過被遮擋了;對(duì)于懸浮水龍頭，其實(shí)水流中隱藏著一根透明的水管;“磁懸浮”地球儀能穩(wěn)定懸浮，除了用磁力來平衡自身的重力之外，還用磁傳感器來控制磁場力的大?。ㄒ姳?）。

3 ? ?“懸而不掉”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

懸空的物體在自身重力的作用下容易掉下來，但是有些物體可以做到大部分懸空甚至整體懸空都掉不下來。有些人會(huì)利用障眼法表演單手懸空魔術(shù)，其實(shí)人坐在隱藏在寬大衣服里的一個(gè)鋼板上;紙幣可以懸空，是由于折疊的100元紙幣里隱藏著一枚1元硬幣，使整體重心偏向一端;幾乎整體懸空而不掉落的錘子，是由于其錘頭很重，重心偏向內(nèi)側(cè)且在桌角的正下方（見表3）。

4 ? ?“爬而不滑”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

一般情況下，放在斜面上的物體由于受到重力而沿斜面向下滑動(dòng)，但是有些物體反而好像會(huì)自發(fā)地向高處爬坡。錐體沿雙桿爬坡是一種視覺假象，爬坡的是接觸點(diǎn)位置，其整體重心位置還是降低的;對(duì)于沿斜面爬坡的圓筒，是因?yàn)槔锩姘惭b了彈簧片或偏心重物，通過彈性勢能或重力勢能轉(zhuǎn)化為爬坡的動(dòng)能;乒乓球能沿空心管爬坡，根據(jù)伯努利原理可知，是由于有高速氣流通過的圓筒上部和圓筒底部形成了氣壓差（見表4）。

5 ? ?“轉(zhuǎn)而不墜”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

許多轉(zhuǎn)圈的物體也可以做到不容易墜落的動(dòng)態(tài)平衡。根據(jù)圓周運(yùn)動(dòng)和向心力的知識(shí)可知，繞圈的“過山車”和水流星的水做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力不小于重力就不會(huì)掉下來;用高腳杯扣住乒乓球并快速旋轉(zhuǎn)杯底，由于離心力與杯壁之間有較大的擠壓力和摩擦力，所以乒乓球就不容易掉下來（見表5）。

6 ? ?“升而不降”的重力趣味實(shí)驗(yàn)

一般情況下，物體在自身重力的作用下會(huì)下降，但是有些物體反而會(huì)出現(xiàn)“不降反升”的現(xiàn)象。上升的孔明燈的原理與熱氣球的原理相同，皆是利用熱空氣之浮力使球體升空;將一個(gè)機(jī)翼模型穿在鐵絲上并用電風(fēng)扇水平吹風(fēng)，根據(jù)伯努利原理可知，機(jī)翼模型會(huì)沿著鐵絲上升;不透明的管子里外各有一個(gè)乒乓球，用小磁鐵吸在一起，里面的乒乓球受到水的浮力上升，外面的乒乓球也會(huì)沿外壁緩緩上升，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常有趣（見表6）。

總之，許多重力看似減小或消失的物理趣味實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其實(shí)并非是重力真的減小或消失了。作為物理教師，我們應(yīng)充分利用“物理發(fā)明”玩具積極開發(fā)并演示更多適合中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)不僅與物理等科學(xué)知識(shí)緊密相關(guān)，同時(shí)也涉及到了技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等其他學(xué)科內(nèi)容，這不僅符合STEAM的教育理念，也有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳顯盈，尤愛惠.兩地重力加速度不同引起的奇聞異事[J].物理教學(xué)探討，2011，29（1）：76-77.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）