網紅“反引力時光沙漏空氣凈化器”原理探究及STEM實驗室情景重現

葉沖

（重慶市長壽中學校，重慶 長壽 401220）

最近，一款名為反引力時光沙漏空氣凈化器的產品很火爆，被譽為黑科技。乍一看，反引力這個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律之一，難道會出現例外。這款沙漏到底是怎么完成反引力的呢？用了什么障眼法？我把這個產品介紹給學生的時候，大家都表現出了非常濃的興趣，所以我決定和學生們一起來探究探究這個網紅產品的原理。

要探究這個現象，需要先要明白一個概念——視覺暫留。所謂視覺暫留，就是眼睛看到的一個畫面在大腦里面只能暫時存在一小段時間，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秒內又接收到第二幅畫，人腦就會認為這兩幅畫是連續的。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的時間是0.1秒，而這個時間是屬于視覺暫留的時間，前一幅畫仍然在腦海里面，這時觀察者就會認為畫面是連續的。現在的電影很多是24幀每秒，我們肯定認為畫面是連續的，而且，可以推斷，每秒的幀數越高，畫面的連續性就會越好。

那這個反引力裝置到底是怎么回事呢？為什么會看到水滴往上走的這種奇特的現象。其實物理課本上早就出現了類似的原理——頻閃照相。我們想研究水滴下落的自由落體運動規律，就可以利用頻閃照相。假設水滴下落時初速度為0，每隔0.1秒下落一滴水，燈光沒有頻閃，打開開關后，可以看到有3滴水在空中向下運動，但是，如果在水滴下落的同時，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。第一滴水本來已經下落了，但是由于第二滴水剛好又出現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間范圍內，所以還記得剛剛那滴水的位置，我們的大腦就會誤以為是這滴水根本沒有動，但實際上，所有的水都已經換了位置，只不過剛才的位置被后面新的水滴給重新占據了而已。借此，我們就可以大膽推測，如圖2所示，如果水滴下落時間為0.1秒，而閃光間隙為0.05秒，你會發現，每次燈光一閃，水滴的位置都在變化，用自由落體運動公式可以簡單計算，水滴1會運動到11位置，水滴2會運動到22位置，而之前水滴的位置還停留在觀察者的大腦里，你會覺得水滴既好像往下滴，又好像網上滴，因為觀察者的大腦不清楚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。因為11位置比較靠近1位置和2位置的中間。這時，假如我們的頻閃時間為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，大腦會受到“欺騙”，會誤認為11位置的水滴來自于之前2位置的水滴；同理，2位置的水滴會下落到22位置，而22位置又更靠近3位置，大腦會誤以為22位置的水滴來自于之前3位置的水滴。如果再加一個頻閃時間，如圖4所示，11位置的水滴會下落到111位置，大腦會誤以為111位置的水滴來自于之前22位置的水滴，可以推斷，如果燈光頻閃時間小于水滴下落的間隔，但是非常接近水滴的下落時間間隔，這種現象會更連貫，從而實現我們開篇所看到的的水滴倒流的神奇現象。

經過理論解釋后，學生們似懂非懂，所以我帶著他們到STEM實驗室做了一個實驗。將一個水滴裝置置于黑暗環境中，利用實驗室里的創客程序箱，連接電腦，用Labplus軟件實現編程，調整燈光頻閃的時間間隔，最終實現了水滴閃現，水滴下落，水滴上升等一系列的現象。

原理的探究，或許會讓學生感覺到有些懵，但是一旦在實驗室里面真的實現了這種情景，學生們會感受到了一種科學探究帶給他們的極大的興奮與樂趣，大大增加了學生對物理理論以及實驗操作的興趣，養成了學生遇到問題去刨根究底的思考習慣，也讓學生明白了創新對于社會進步的推動，甚至讓學生堅定了世間萬物一切以科學來解釋的正確的世界觀。

理論研究，我們高中物理教學往往比較枯燥，甚至是乏味，但是基于STEM實驗室的技術支持，我們很多物理理論都可以讓學生親自去試驗，去操作，讓學生不僅僅是會算幾個物理題目，而是真真正正的對物理這門古老的自然學科產生新的興趣，從而實現新的進步。