張燕怡

（中國人民大學附屬中學，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個實驗，神奇有趣的現(xiàn)象令觀眾大受震撼.這些實驗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”和“浮力消失”兩個實驗（圖1），能很好地和初高中物理教學進行結(jié)合.除了播放視頻素材，通過適當?shù)脑O(shè)計，地面上也能演示出這兩個實驗的效果.本文中，筆者將給出自己的設(shè)計方案、實施過程和相關(guān)教學建議.

圖1

2 “水球光學”實驗的復現(xiàn)

“水球光學”實驗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，在適當物距下成倒立實像，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)境在此實驗中只起到使水球成形的作用，并非必要條件.在地面實驗室，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

但在課堂教學中，我們應(yīng)鼓勵學生利用日常可見的簡單材料進行探究，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、飲料瓶等灌水后實現(xiàn).

復現(xiàn)“水球光學”實驗的器材如圖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（充當用于成像的物體）.

圖3 復現(xiàn)水球光學實驗的器材

實驗步驟：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.實驗結(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 復現(xiàn)水球光學實驗結(jié)果

實驗探究過程中可以引導學生思考和討論的問題有：

（1）瓶子半徑的選擇、物距的遠近對最終成像效果的影響.

圖5 水塊等效于凹透鏡的數(shù)學分析

（3）本實驗和太空中的水球?qū)嶒炗泻螀^(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”實驗的復現(xiàn)

本實驗的原理是：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、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錄下后再慢速回放，智能手機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.

本實驗的難點在于，系統(tǒng)開始進行自由落體的同時，乒乓球的束縛必須同時解開.為此，筆者設(shè)計了如下實驗裝置.

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，需復查上腹部增強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?？偵嫫跒閺淖畛踔委熼_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)進展、新發(fā)轉(zhuǎn)移或死亡的時間?；熞鸬牟涣挤磻?yīng)評價采用CTCAE4.0分級標準。放療導致的不良反應(yīng)按照RTOG/EORTC早期或晚期放療不良反應(yīng)評分標準進行評估。

圖6 復現(xiàn)“浮力消失”實驗裝置示意圖

筆者用家中易找到的材料搭建了簡易裝置，并進行了實驗.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 復現(xiàn)“浮力消失”實驗的視頻截圖

本實驗探究過程中可引導學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為“來不及”呢？

可進行簡單估算：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)運動學公式，所需時間約為0.04 s.對于未學過慣性力的學生，在地面參考系進行稍微復雜一點的計算，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）在實踐中進行實驗細節(jié)的討論改進.

（3）可讓學生集思廣益，頭腦風暴，進行其他實驗裝置和方案的設(shè)計，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 復現(xiàn)“浮力消失”實驗的另一套可能裝置

4 小結(jié)

新課改的目標之一，就是讓學生從機械地解題，過渡到綜合運用課堂所學去解決實際的、非模型化的、結(jié)構(gòu)不良的問題.將如何復現(xiàn)“天宮課堂”中的實驗作為研究課題引入物理教學，能極大地激發(fā)學生們的興趣和主觀能動性，學生們在動手操作中能加深理解課內(nèi)知識，實現(xiàn)知識技能的綜合運用與遷移，體會到探索未知課題、解決真實問題的復雜性，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)科學思維、探究精神核心素養(yǎng)以及學科德育的目的.