網(wǎng)紅“反引力時(shí)光沙漏空氣凈化器”原理探究及STEM實(shí)驗(yàn)室情景重現(xiàn)

葉沖

（重慶市長壽中學(xué)校，重慶 長壽 401220）

最近，一款名為反引力時(shí)光沙漏空氣凈化器的產(chǎn)品很火爆，被譽(yù)為黑科技。乍一看，反引力這個(gè)詞就足以吸引大家的眼球，可是，真的能做到反引力嗎？萬有引力作為自然界最基本的規(guī)律之一，難道會(huì)出現(xiàn)例外。這款沙漏到底是怎么完成反引力的呢？用了什么障眼法？我把這個(gè)產(chǎn)品介紹給學(xué)生的時(shí)候，大家都表現(xiàn)出了非常濃的興趣，所以我決定和學(xué)生們一起來探究探究這個(gè)網(wǎng)紅產(chǎn)品的原理。

要探究這個(gè)現(xiàn)象，需要先要明白一個(gè)概念——視覺暫留。所謂視覺暫留，就是眼睛看到的一個(gè)畫面在大腦里面只能暫時(shí)存在一小段時(shí)間，大概是0.05到0.2秒。如果看到了第一幅畫，在接下來的0.05-0.2秒內(nèi)又接收到第二幅畫，人腦就會(huì)認(rèn)為這兩幅畫是連續(xù)的。在視頻軟件里面的單位叫做幀每秒，所謂幀，可以簡單理解為是多少幅畫，那么幀每秒就可以理解為一秒鐘有多少幅畫，比如10幀每秒，就是一秒鐘播放10幅畫。那么算下來平均每幅畫出現(xiàn)的時(shí)間是0.1秒，而這個(gè)時(shí)間是屬于視覺暫留的時(shí)間，前一幅畫仍然在腦海里面，這時(shí)觀察者就會(huì)認(rèn)為畫面是連續(xù)的。現(xiàn)在的電影很多是24幀每秒，我們肯定認(rèn)為畫面是連續(xù)的，而且，可以推斷，每秒的幀數(shù)越高，畫面的連續(xù)性就會(huì)越好。

那這個(gè)反引力裝置到底是怎么回事呢？為什么會(huì)看到水滴往上走的這種奇特的現(xiàn)象。其實(shí)物理課本上早就出現(xiàn)了類似的原理——頻閃照相。我們想研究水滴下落的自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就可以利用頻閃照相。假設(shè)水滴下落時(shí)初速度為0，每隔0.1秒下落一滴水，燈光沒有頻閃，打開開關(guān)后，可以看到有3滴水在空中向下運(yùn)動(dòng)，但是，如果在水滴下落的同時(shí)，給它加上的燈光是頻閃光，而且閃光間隙剛好為0.1秒，如圖1所示，那么我看到的將是空中有3滴水在固定的位置不動(dòng)。第一滴水本來已經(jīng)下落了，但是由于第二滴水剛好又出現(xiàn)在了剛才第一滴水的位置，而這0.1秒又屬于我們視覺暫留的時(shí)間范圍內(nèi)，所以還記得剛剛那滴水的位置，我們的大腦就會(huì)誤以為是這滴水根本沒有動(dòng)，但實(shí)際上，所有的水都已經(jīng)換了位置，只不過剛才的位置被后面新的水滴給重新占據(jù)了而已。借此，我們就可以大膽推測，如圖2所示，如果水滴下落時(shí)間為0.1秒，而閃光間隙為0.05秒，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次燈光一閃，水滴的位置都在變化，用自由落體運(yùn)動(dòng)公式可以簡單計(jì)算，水滴1會(huì)運(yùn)動(dòng)到11位置，水滴2會(huì)運(yùn)動(dòng)到22位置，而之前水滴的位置還停留在觀察者的大腦里，你會(huì)覺得水滴既好像往下滴，又好像網(wǎng)上滴，因?yàn)橛^察者的大腦不清楚11位置的水滴是1位置下落而成的，還是2位置上升而成的。因?yàn)?1位置比較靠近1位置和2位置的中間。這時(shí)，假如我們的頻閃時(shí)間為0.09秒，則如圖3所示，1位置的水滴下降到11位置，而11位置更靠近2位置，由于視覺暫留，大腦會(huì)受到“欺騙”，會(huì)誤認(rèn)為11位置的水滴來自于之前2位置的水滴；同理，2位置的水滴會(huì)下落到22位置，而22位置又更靠近3位置，大腦會(huì)誤以為22位置的水滴來自于之前3位置的水滴。如果再加一個(gè)頻閃時(shí)間，如圖4所示，11位置的水滴會(huì)下落到111位置，大腦會(huì)誤以為111位置的水滴來自于之前22位置的水滴，可以推斷，如果燈光頻閃時(shí)間小于水滴下落的間隔，但是非常接近水滴的下落時(shí)間間隔，這種現(xiàn)象會(huì)更連貫，從而實(shí)現(xiàn)我們開篇所看到的的水滴倒流的神奇現(xiàn)象。

經(jīng)過理論解釋后，學(xué)生們似懂非懂，所以我?guī)е麄兊絊TEM實(shí)驗(yàn)室做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。將一個(gè)水滴裝置置于黑暗環(huán)境中，利用實(shí)驗(yàn)室里的創(chuàng)客程序箱，連接電腦，用Labplus軟件實(shí)現(xiàn)編程，調(diào)整燈光頻閃的時(shí)間間隔，最終實(shí)現(xiàn)了水滴閃現(xiàn)，水滴下落，水滴上升等一系列的現(xiàn)象。

原理的探究，或許會(huì)讓學(xué)生感覺到有些懵，但是一旦在實(shí)驗(yàn)室里面真的實(shí)現(xiàn)了這種情景，學(xué)生們會(huì)感受到了一種科學(xué)探究帶給他們的極大的興奮與樂趣，大大增加了學(xué)生對物理理論以及實(shí)驗(yàn)操作的興趣，養(yǎng)成了學(xué)生遇到問題去刨根究底的思考習(xí)慣，也讓學(xué)生明白了創(chuàng)新對于社會(huì)進(jìn)步的推動(dòng)，甚至讓學(xué)生堅(jiān)定了世間萬物一切以科學(xué)來解釋的正確的世界觀。

理論研究，我們高中物理教學(xué)往往比較枯燥，甚至是乏味，但是基于STEM實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)支持，我們很多物理理論都可以讓學(xué)生親自去試驗(yàn)，去操作，讓學(xué)生不僅僅是會(huì)算幾個(gè)物理題目，而是真真正正的對物理這門古老的自然學(xué)科產(chǎn)生新的興趣，從而實(shí)現(xiàn)新的進(jìn)步。