将“天宫课堂”实验引入中学物理教学的思考与实践

张燕怡

（中国人民大学附属中学，北京 100080）

1 背景介绍

2021年12月9日，王亚平等3位航天员在中国空间站进行了第2次太空授课，在微重力环境中演示了包括太空转身、浮力消失、水膜开花等5个实验，神奇有趣的现象令观众大受震撼.这些实验的原理涉及到完全失重、角动量、液体表面张力、透镜成像等物理知识，其中，“水球光学”和“浮力消失”两个实验（图1），能很好地和初高中物理教学进行结合.除了播放视频素材，通过适当的设计，地面上也能演示出这两个实验的效果.本文中，笔者将给出自己的设计方案、实施过程和相关教学建议.

图1

2 “水球光学”实验的复现

“水球光学”实验的基本原理是中空的水球被分为两部分，边缘部分等效于凸透镜，在适当物距下成倒立实像，而中空部分对应的两片水块等效于两个凹透镜，成正立虚像（如图2）.微重力环境在此实验中只起到使水球成形的作用，并非必要条件.在地面实验室，我们可以通过订制中空玻璃球来代替水球.

图2 中空水球等效于透镜示意图

但在课堂教学中，我们应鼓励学生利用日常可见的简单材料进行探究，因此，可以将球形透镜替换为圆柱形透镜.这可以通过将随处可得的圆柱形容器如水杯、饮料瓶等灌水后实现.

复现“水球光学”实验的器材如图3，半径不同的两个圆柱形透明薄壁容器，一张画有不对称图案的卡片（充当用于成像的物体）.

图3 复现水球光学实验的器材

实验步骤：用半径较大的瓶子装水，轻拍瓶壁尽量排出气泡，调节卡片和瓶子的距离，直到眼睛透过瓶子在另一侧看到左右翻转的像.然后将半径较小的空瓶子压入水中，形成“空气柱体”，保持两个瓶子同轴，观察现象.实验结果如图4所示.和太空中类似，可以看到一正一反两个像.

图4 复现水球光学实验结果

实验探究过程中可以引导学生思考和讨论的问题有：

（1）瓶子半径的选择、物距的远近对最终成像效果的影响.

图5 水块等效于凹透镜的数学分析

（3）本实验和太空中的水球实验有何区别？

和水球不同，“水圆柱”只在水平横截面上可等效于透镜，因此像只会左右翻转而不会上下颠倒.同时，鱼的像只在横向得到了放大或缩小，而上下尺度维持不变，因此会有形变，看上去像被拉伸或者压缩了.

3 “浮力消失”实验的复现

本实验的原理是：液体浮力的产生与重力有关，在失重状态下重力产生的一切效果（包括液体压强、浮力）消失，本应漂浮的乒乓球可以浸没于水中任何地方.

根据高中知识不难想到，自由落体时，物体和在航天器中类似，也处于完全失重状态.如果设法让乒乓球原本浸没于水中（可用外力约束），再让“球—水—容器”系统进行自由落体，乒乓球应该不会像正常情况那样立刻上浮至水面，而是几乎悬停于水中.这个过程不易观察，但可以用高速摄影机录下后再慢速回放，智能手机的慢动作拍摄和相关视频编辑软件也可以完成所需的后期处理工作.

本实验的难点在于，系统开始进行自由落体的同时，乒乓球的束缚必须同时解开.为此，笔者设计了如下实验装置.

如图6所示，铁架台（或类似物体）上固定竖直杆，将乒乓球压入水中，释放容器的瞬间，“球—水—容器”系统自由落体，竖直杆对乒乓球的压力同时消失.

治疗后每3个月随访1次，需复查上腹部增强CT、MR或PET-CT来评估肿瘤的治疗反应。随访时间1.1～33个月，中位随访期13.1个月。总生存期为从最初治疗开始至死亡或随访截止时间。PFS为从最初治疗开始至全身任何一处病灶出现进展、新发转移或死亡的时间。化疗引起的不良反应评价采用CTCAE4.0分级标准。放疗导致的不良反应按照RTOG/EORTC早期或晚期放疗不良反应评分标准进行评估。

图6 复现“浮力消失”实验装置示意图

笔者用家中易找到的材料搭建了简易装置，并进行了实验.从慢放视频中可以看到，除了初始扰动外，整个自由落体过程中，乒乓球几乎悬浮在水中固定位置，证明其处于不受浮力的状态（图7）.

图7 复现“浮力消失”实验的视频截图

本实验探究过程中可引导学生思考讨论的问题如下.

（1）自由落体过程转瞬即逝，看不到球上浮是否只是因为“来不及”呢？

可进行简单估算：乒乓球的质量一般为2.5 g左右，体积33.5 cm3，在水中受浮力约为0.3 N，若取容器系统为非惯性参考系，球重力和惯性力抵消，浮力即为球所受合力.此合力对乒乓球产生的加速度约为130 m/s2.假设容器中水深约10 cm，乒乓球从沉底状态上升至漂浮，根据运动学公式，所需时间约为0.04 s.对于未学过惯性力的学生，在地面参考系进行稍微复杂一点的计算，可以得到同样的结果.

另一方面，让容器自由下落1 m高度，根据自由落体规律，可估算出所需时间为0.4 s左右.即容器自由落体时间比小球受浮力时上浮所需时间长得多.自由落体过程中看不到小球漂起，是证明“浮力消失”的有力证据.

（2）在实践中进行实验细节的讨论改进.

（3）可让学生集思广益，头脑风暴，进行其他实验装置和方案的设计，并比较其可操作性、可靠性和简洁性.

一个可以参考的方案如图8所示.

图8 复现“浮力消失”实验的另一套可能装置

4 小结

新课改的目标之一，就是让学生从机械地解题，过渡到综合运用课堂所学去解决实际的、非模型化的、结构不良的问题.将如何复现“天宫课堂”中的实验作为研究课题引入物理教学，能极大地激发学生们的兴趣和主观能动性，学生们在动手操作中能加深理解课内知识，实现知识技能的综合运用与迁移，体会到探索未知课题、解决真实问题的复杂性，因我国航天事业的飞速发展而激发出民族自信心与自豪感，从而全面起到培养科学思维、探究精神核心素养以及学科德育的目的.