中學物理自制教(學)具魔術化的創新技法
——光學中的魔術策略

應發寶

(北京市中關村中學,北京 100086)

中學物理自制教(學)具魔術化的創新技法
——光學中的魔術策略

應發寶

(北京市中關村中學,北京 100086)

魔術舞臺上龐大物體忽隱忽現的離奇變化,主要運用了光的反射、折射及偏振規律．在舞臺上不同位置安裝一些方向不同的大鏡子(因有幻術設計,觀眾不會感覺鏡子存在),隨著鏡子的移動和燈光的變換,可以產生許多變化效果．

1 隱身術

圖1

魔術器材:平面鏡、正方體的箱子(圖1)、硬幣.

魔術演示:教師用手按住上蓋及中間的開口,讓觀眾看看魔術盒,展示箱子里面是空空的．然后把一百塊紙幣從頂部的投幣口投入,結果錢不翼而飛了．為了讓大家相信紙幣確實是投進去了,此時教師把袖子卷起來,再次拿出一張百元紙幣,再次投入,還是消失了．教師說他也可以把消失的紙幣變出來,只見教師拿出紅色的絲巾把箱子遮住,然后把手伸進投幣口,不一會兒兩張百元大鈔就變出來了．

魔術揭秘:在箱子中按對角線(和底面成45°)斜裝了一塊雙面鏡,將箱子分成兩個對稱的空間．由于鏡子所成像與原物的對稱性,箱內部的棱角在鏡中的像與鏡子另一邊的棱角完全吻合,放在鏡子背面的東西是看不到的．從觀察口看到的箱子,整體好像是一個完整的空箱子,其實里面是只有半個箱子．箱子的頂和底都設制了可以打開的蓋．把紙幣從空箱子頂部投幣口放入的時候,其實錢是落在平面鏡的后面．由于光沿直線傳播,觀眾是不能看見紙幣的．此道具也可讓小孩鉆入鏡后消失,再從鏡后鉆出重現表演大變活人．魔術巧妙地運用了光的反射知識．

動手制作:將硬紙板按圖參數剪裁,再用透明膠帶固定即可(如圖2)．

圖2 魔箱的制作尺寸

拓展: (1) 飛天幻影[圖3(a)].

天幕上,一位姑娘四面虛懸,在空中旋轉、舞蹈,還一邊唱歌,形象優美而神秘．其實裝置并不復雜,在舞臺下裝一個大轉盤,姑娘躺在轉盤上;舞臺后上方斜裝一塊大鏡子,與轉盤成45°．隨著轉盤轉動,觀眾平視,就能從鏡子中看到一個空中旋轉的飛天女子．

(2) 珍珠變項鏈[圖3(b)].

裝有雙面鏡的透明杯子還可用來表演珍珠變項鏈、空杯來物、空水變魚等魔術．著名魔術大師大衛·科波菲爾的“籠中大象失蹤”魔術也采用了平面鏡這一道具．

圖3 平面鏡魔術拓展

2 分身術

魔術器材:花瓶、平面鏡、展臺、碎彩紙.

魔術表演:高高架起的展臺上,小心地用4根紅綢扎固一只小巧的圓花瓶,瓶口長著的不是鮮花,卻是一個活潑的小女孩的頭,如圖4．教師繪聲繪色地描述小女孩從小就被放在花瓶中培養及生活情況,學生則滿臉疑惑卻猜不出其中奧妙．

圖4 花瓶姑娘

魔術揭秘:展臺里豎直放置兩塊平面鏡,兩面鏡子夾角略大于90°,鏡子與花瓶的接觸邊修切后恰好完全吻合,如圖5．花瓶放在展臺的正中心,鏡子的上邊緣被兩條從瓶口到擋板沿鏡子邊緣的紅絲綢遮住,成像后變成對稱的四條;在兩塊鏡子所夾的底部再撒些碎彩紙,成像后布滿了整個臺面．展臺上部為圓形,開口部分為圓形擋板的1/4,兩塊鏡子就對著這個讓觀眾觀看的窗口．由于展臺和花瓶都是中心軸對稱的,展臺邊緣在鏡中所成的像恰好重合于被鏡子擋住部分,看起來好像是完整的空展臺了．健康的小女孩跪坐在鏡后的展臺上,只把頭略往前伸,下頜放到瓶口上,身子卻被鏡子擋住而看不見了．觀眾所在的角度卻無法看到自己在鏡中的像,兩鏡反射后成在接縫處的像恰好被花瓶擋住(或者說由于花瓶的遮擋,兩鏡無法二次成像)．這樣觀眾看到的就是一個撒滿彩紙的空展臺,小花瓶中長著一個小女孩的頭．魔術巧妙地運用了光的反射知識．

拓展:兩塊互成銳角的鏡子在兩鏡交角處的360°空間內被分隔成對稱的小空間,每一空間里都有一個物體的像,所以在兩鏡間可成像360/α-1個像,α為兩鏡的夾角度數,這些像和原物都分布在一個圓周上,如圖6(a)．如果你置身于用六面鏡子組成一個封閉的六邊形內,鏡子經多次反射便幻化出無數個相同的六角形空間,每一個空間里都有一個與你同步活動的你,如圖6(b)．玩具“萬花筒”是利用三面鏡子構成等邊三角形,在筒內放些碎彩色玻璃,從一端望去,就能看到許多對稱的圖案,稍一轉動,便可得到不同的圖案．

圖6 分身術原理

3 變臉術

魔術器材:馬克筆,塑料密封拉帶,白紙板,直尺,水槽.

魔術表演:教師將一張畫有一只可愛黑貓的卡片放在透明塑料袋中向學生展示,然后將透明塑料袋垂直放入水中．從水面向下看,黑貓竟然變成了白貓,如圖7．再將塑料袋從水中取出,白貓又變回了黑貓(為避免后排學生在圖片插入水中以后看不到,建議用攝像頭通過屏幕直播,或拍好視頻后在課堂上播放)．

圖7 互變黑白貓

魔術揭秘:在透明塑料袋上畫了一只未著色的貓的框架．教師將畫有黑貓的卡片放入透明塑料袋中,塑料袋上的貓框架與卡片上的黑貓重合,因此我們只看見黑貓．將塑料袋放入水中,光由袋中的光疏介質空氣進入光密介質水中時產生折射,光線會向水平方向偏移．如此光線抵達水面時入射角便會大于臨界角49°,產生全反射,無法穿透水面,所以從水面向下看,只看到塑料袋上未著色的貓的框架,看不到卡片上的黑貓,感覺黑貓變成了白貓．圖8中長方框代表塑料外殼,中間的分隔線代表紙板．當把它緩慢插入水中時,紙板和塑料外殼上的圖案反射的光線經過水與空氣的界面時都發生了折射,且由于入射角大小不同,折射后的光線被分開．當人眼在上端俯視時,只有來自外殼圖案反射的光進入人眼,因此就產生了我們所看到的奇妙現象了．魔術巧妙地運用了光的折射知識．

圖8

動手制作:設計幾對不同的簡易卡通圖片,一個畫在塑料密封拉袋上,一個畫在白紙板上,塑料拉帶上的圖片略小、筆畫略細,以保證當把白紙板裝入塑料拉帶,兩個圖片重合后,遠距離觀看時只能看出卡片上圖片的輪廓．

注意事項:用磨砂玻璃把面向學生一側的水槽遮住,防止學生正視;水不要裝滿水槽,充分保證俯視角度;保證塑料密封袋不進水,防止兩圖片緊密貼合,并且要豎直插入水中,避免傾斜．

拓展:如圖9,透明有機玻璃制成的立方體容器,被兩塊有機玻璃沿對角線隔成兩等腰直角三角形,平面鏡平行隔板放置．當兩等腰直角三角形容器盛水而隔層不盛水時,形成兩個全反射棱鏡．在觀看位置的對面貼上白貓,側面貼上黑貓時,黑貓經左棱鏡全反射出現在觀看位置的左側;白貓經右棱鏡全反射又經平面鏡反射出現在觀看位置的右側．當隔層也盛水時,就不形成全反射棱鏡,白貓經水、有機玻璃折射后直接被看到而出現在左側;黑貓經水、有機玻璃折射,經平面鏡反射被看到出現在右側,如圖9．隔層的水可以通過注射器緩慢注入,實現漸變過程,生動有趣,具有魔術般的效果．

圖9

動手制作:制作參數如圖10．選取4 mm厚的透明有機玻璃進行切割、粘合．粘合時一定要保證45°和90°的精準,否則影響實驗效果．容器底部安裝兩50 ml的一次性注射器;隔層底部打兩小孔;通過軟管連接小孔與注射器．選取兩合適大小的胸牌,剛好能插入或拔出白、黑貓為宜,把胸牌用雙面膠粘貼在觀看位置的對面和側面,制作完成．

圖10

4 穿越術

實驗器材: 透明的有機玻璃管、2張偏振片、小球.

圖11

魔術表演:讓小球毫不留痕地從玻璃管的一側“穿墻而過”,如圖11．

魔術揭秘:在已知偏振片透振方向的基礎上,可以制作“穿墻而過”魔術道具,如圖11所示．有機玻璃管的內外直徑尺寸分別為38.0 mm和50.0 mm,長度為300.0 mm;2張偏振片的尺寸為38.0 mm×150.0 mm,透振方向互相垂直(一張偏振片的透振方向沿著寬的方向,另一張偏振片的透振方向沿著長的方向);小球可以是普通的乒乓球也可以是小的彈力球(要求直徑小于38.0 mm)．以玻璃管的中間為分界線,在玻璃管內層左右兩側各粘上1張偏振片,因為2個偏振片的透振方向互相垂直,所以從玻璃管的側面看上去就好像有張黑色紙片擋在了玻璃管的中間,就像一面“墻”．其實這只是因為左右兩側偏振片的透振方向垂直,光不能透過“墻”,是視覺上的錯覺．魔術巧妙地運用了光的偏振知識．

自制教(學)具魔術化,讓制作者和表演者合二為一,又讓神秘與揭秘針鋒相對;利用物理原理變魔術,利用魔術實踐科學技術．魔術化策略,可以使自制的教(學)具功效發揮到極致,讓學生體驗過程的趣味性和操作的藝術性,在多種感觀的刺激下輕松地學習學科知識,培養觀察、推理、分析、判斷和動手能力;可以讓物理課堂妙趣橫生,學生一邊欣賞著變幻莫測的表演,一邊與教師進行著一場既緊張又愉快的智力競賽,既得到了藝術享受,又體會了學科的內在美．

1 聶劍軍，謝明生.依據全反射棱鏡功能自制“變臉魔術”教具[J].物理通報,2013(12)：93-94.

2 張玉成.有關全反射的三個“魔術”表演[J].物理通報,2010(3)：95-96.

本文為北京市海淀區重點關注課題“中學物理自制教(學)具生活化的策略研究”(編號:HDGH2015039)的部分研究成果．

2017-05-12)