將“天宮課堂”實驗引入中學物理教學的思考與實踐

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，在微重力環境中演示了包括太空轉身、浮力消失、水膜開花等5個實驗，神奇有趣的現象令觀眾大受震撼.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合.除了播放視頻素材，通過適當的設計，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計方案、實施過程和相關教學建議.

圖1

2 “水球光學”實驗的復現

“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.

復現“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，調節卡片和瓶子的距離，直到眼睛透過瓶子在另一側看到左右翻轉的像.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，觀察現象.實驗結果如圖4所示.和太空中類似，可以看到一正一反兩個像.

圖4 復現水球光學實驗結果

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學分析

（3）本實驗和太空中的水球實驗有何區別？

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

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

根據高中知識不難想到，自由落體時，物體和在航天器中類似，也處于完全失重狀態.如果設法讓乒乓球原本浸沒于水中（可用外力約束），再讓“球—水—容器”系統進行自由落體，乒乓球應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。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進展、新發轉移或死亡的時間?；熞鸬牟涣挤磻u價采用CTCAE4.0分級標準。放療導致的不良反應按照RTOG/EORTC早期或晚期放療不良反應評分標準進行評估。

圖6 復現“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（圖7）.

圖7 復現“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.此合力對乒乓球產生的加速度約為130 m/s2.假設容器中水深約10 cm，乒乓球從沉底狀態上升至漂浮，根據運動學公式，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，可以得到同樣的結果.

另一方面，讓容器自由下落1 m高度，根據自由落體規律，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.

（2）在實踐中進行實驗細節的討論改進.

（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“浮力消失”實驗的另一套可能裝置

4 小結

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、結構不良的問題.將如何復現“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知識，實現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，因我國航天事業的飛速發展而激發出民族自信心與自豪感，從而全面起到培養科學思維、探究精神核心素養以及學科德育的目的.