將“天宮課堂”實(shí)驗(yàn)引入中學(xué)物理教學(xué)的思考與實(shí)踐

張燕怡

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

1 背景介紹

2021年12月9日，王亞平等3位航天員在中國空間站進(jìn)行了第2次太空授課，在微重力環(huán)境中演示了包括太空轉(zhuǎn)身、浮力消失、水膜開花等5個實(shí)驗(yàn)，神奇有趣的現(xiàn)象令觀眾大受震撼.這些實(shí)驗(yàn)的原理涉及到完全失重、角動量、液體表面張力、透鏡成像等物理知識，其中，“水球光學(xué)”和“浮力消失”兩個實(shí)驗(yàn)（圖1），能很好地和初高中物理教學(xué)進(jìn)行結(jié)合.除了播放視頻素材，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，地面上也能演示出這兩個實(shí)驗(yàn)的效果.本文中，筆者將給出自己的設(shè)計(jì)方案、實(shí)施過程和相關(guān)教學(xué)建議.

圖1

2 “水球光學(xué)”實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)

“水球光學(xué)”實(shí)驗(yàn)的基本原理是中空的水球被分為兩部分，邊緣部分等效于凸透鏡，在適當(dāng)物距下成倒立實(shí)像，而中空部分對應(yīng)的兩片水塊等效于兩個凹透鏡，成正立虛像（如圖2）.微重力環(huán)境在此實(shí)驗(yàn)中只起到使水球成形的作用，并非必要條件.在地面實(shí)驗(yàn)室，我們可以通過訂制中空玻璃球來代替水球.

圖2 中空水球等效于透鏡示意圖

但在課堂教學(xué)中，我們應(yīng)鼓勵學(xué)生利用日常可見的簡單材料進(jìn)行探究，因此，可以將球形透鏡替換為圓柱形透鏡.這可以通過將隨處可得的圓柱形容器如水杯、飲料瓶等灌水后實(shí)現(xiàn).

復(fù)現(xiàn)“水球光學(xué)”實(shí)驗(yàn)的器材如圖3，半徑不同的兩個圓柱形透明薄壁容器，一張畫有不對稱圖案的卡片（充當(dāng)用于成像的物體）.

圖3 復(fù)現(xiàn)水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)的器材

實(shí)驗(yàn)步驟：用半徑較大的瓶子裝水，輕拍瓶壁盡量排出氣泡，調(diào)節(jié)卡片和瓶子的距離，直到眼睛透過瓶子在另一側(cè)看到左右翻轉(zhuǎn)的像.然后將半徑較小的空瓶子壓入水中，形成“空氣柱體”，保持兩個瓶子同軸，觀察現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.和太空中類似，可以看到一正一反兩個像.

圖4 復(fù)現(xiàn)水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)探究過程中可以引導(dǎo)學(xué)生思考和討論的問題有：

（1）瓶子半徑的選擇、物距的遠(yuǎn)近對最終成像效果的影響.

圖5 水塊等效于凹透鏡的數(shù)學(xué)分析

（3）本實(shí)驗(yàn)和太空中的水球?qū)嶒?yàn)有何區(qū)別？

和水球不同，“水圓柱”只在水平橫截面上可等效于透鏡，因此像只會左右翻轉(zhuǎn)而不會上下顛倒.同時，魚的像只在橫向得到了放大或縮小，而上下尺度維持不變，因此會有形變，看上去像被拉伸或者壓縮了.

3 “浮力消失”實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)的原理是：液體浮力的產(chǎn)生與重力有關(guān)，在失重狀態(tài)下重力產(chǎn)生的一切效果（包括液體壓強(qiáng)、浮力）消失，本應(yīng)漂浮的乒乓球可以浸沒于水中任何地方.

根據(jù)高中知識不難想到，自由落體時，物體和在航天器中類似，也處于完全失重狀態(tài).如果設(shè)法讓乒乓球原本浸沒于水中（可用外力約束），再讓“球—水—容器”系統(tǒng)進(jìn)行自由落體，乒乓球應(yīng)該不會像正常情況那樣立刻上浮至水面，而是幾乎懸停于水中.這個過程不易觀察，但可以用高速攝影機(jī)錄下后再慢速回放，智能手機(jī)的慢動作拍攝和相關(guān)視頻編輯軟件也可以完成所需的后期處理工作.

本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于，系統(tǒng)開始進(jìn)行自由落體的同時，乒乓球的束縛必須同時解開.為此，筆者設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)裝置.

如圖6所示，鐵架臺（或類似物體）上固定豎直桿，將乒乓球壓入水中，釋放容器的瞬間，“球—水—容器”系統(tǒng)自由落體，豎直桿對乒乓球的壓力同時消失.

治療后每3個月隨訪1次，需復(fù)查上腹部增強(qiáng)CT、MR或PET-CT來評估腫瘤的治療反應(yīng)。隨訪時間1.1～33個月，中位隨訪期13.1個月。總生存期為從最初治療開始至死亡或隨訪截止時間。PFS為從最初治療開始至全身任何一處病灶出現(xiàn)進(jìn)展、新發(fā)轉(zhuǎn)移或死亡的時間。化療引起的不良反應(yīng)評價采用CTCAE4.0分級標(biāo)準(zhǔn)。放療導(dǎo)致的不良反應(yīng)按照RTOG/EORTC早期或晚期放療不良反應(yīng)評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估。

圖6 復(fù)現(xiàn)“浮力消失”實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

筆者用家中易找到的材料搭建了簡易裝置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).從慢放視頻中可以看到，除了初始擾動外，整個自由落體過程中，乒乓球幾乎懸浮在水中固定位置，證明其處于不受浮力的狀態(tài)（圖7）.

圖7 復(fù)現(xiàn)“浮力消失”實(shí)驗(yàn)的視頻截圖

本實(shí)驗(yàn)探究過程中可引導(dǎo)學(xué)生思考討論的問題如下.

（1）自由落體過程轉(zhuǎn)瞬即逝，看不到球上浮是否只是因?yàn)椤皝聿患啊蹦兀?/p>

可進(jìn)行簡單估算：乒乓球的質(zhì)量一般為2.5 g左右，體積33.5 cm3，在水中受浮力約為0.3 N，若取容器系統(tǒng)為非慣性參考系，球重力和慣性力抵消，浮力即為球所受合力.此合力對乒乓球產(chǎn)生的加速度約為130 m/s2.假設(shè)容器中水深約10 cm，乒乓球從沉底狀態(tài)上升至漂浮，根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式，所需時間約為0.04 s.對于未學(xué)過慣性力的學(xué)生，在地面參考系進(jìn)行稍微復(fù)雜一點(diǎn)的計(jì)算，可以得到同樣的結(jié)果.

另一方面，讓容器自由下落1 m高度，根據(jù)自由落體規(guī)律，可估算出所需時間為0.4 s左右.即容器自由落體時間比小球受浮力時上浮所需時間長得多.自由落體過程中看不到小球漂起，是證明“浮力消失”的有力證據(jù).

（2）在實(shí)踐中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的討論改進(jìn).

（3）可讓學(xué)生集思廣益，頭腦風(fēng)暴，進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)裝置和方案的設(shè)計(jì)，并比較其可操作性、可靠性和簡潔性.

一個可以參考的方案如圖8所示.

圖8 復(fù)現(xiàn)“浮力消失”實(shí)驗(yàn)的另一套可能裝置

4 小結(jié)

新課改的目標(biāo)之一，就是讓學(xué)生從機(jī)械地解題，過渡到綜合運(yùn)用課堂所學(xué)去解決實(shí)際的、非模型化的、結(jié)構(gòu)不良的問題.將如何復(fù)現(xiàn)“天宮課堂”中的實(shí)驗(yàn)作為研究課題引入物理教學(xué)，能極大地激發(fā)學(xué)生們的興趣和主觀能動性，學(xué)生們在動手操作中能加深理解課內(nèi)知識，實(shí)現(xiàn)知識技能的綜合運(yùn)用與遷移，體會到探索未知課題、解決真實(shí)問題的復(fù)雜性，因我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展而激發(fā)出民族自信心與自豪感，從而全面起到培養(yǎng)科學(xué)思維、探究精神核心素養(yǎng)以及學(xué)科德育的目的.