用魔术来教授物理外文翻译资料

用魔术来教授物理

作者：Franco Bagnoli，Alessio Guarino and Giovanna Pacini

外文文献出处：[J] Physics Education Volume 54, Issue 1. 2019.

中文译文：

摘要：在这篇文章中，我们展示了几个物理演示实验的成果。其中，我们用了新奇的手段演示这些实验，而其最终结果表现出了令人惊奇的现象。接着我们会对其进行科学地解释，以在几个教学情境中介绍有关的物理概念。所有的演示实验都被设计成可以用易获得的和廉价的材料实现，这样学生就可以在家里重复演示这些实验。而意大利的高中、意大利的老年人教育和法国的小学都采用了这种方法，并且取得了良好的效果。

1、介绍

物理是一门很难的学科！这是学生和外行人对这个话题最常见的说法。这确实是真的，物理学的主要问题是它不依赖于所学的知识，而是依赖于几乎被人们遗忘了的现实情景中的事物。

我们的身体，还有我们的大脑，经过漫长的进化岁月，已经能够成功地处理各种日常体验。为了满足这些体验，我们天生就具有“现实物理学”这种与生俱来的常识，而这种常识基本上是亚里士多德式的[1]，也可能是中世纪的[2]。这种与生俱来的知识也会与其他动物共享[3]。但不幸的是，更深层次的考察表明，世界遵循其他规则，因此，教师的主要目标是引导学生转向那些(取决于现实情景的)和与生俱来的不同的思考方式。

而对于用于达成这一目标的技术，可以是通过近乎神奇的体验来使得观众获得“惊喜”[4]，然后再进行讨论，分析所涉及的物理原理，并举例说明可能的范围、应用领域等[5]。关于标准的“科学博览会”实验，我们主要关注日常生活中的魔术。请注意该方法与从物理学角度分析标准“魔术”的方法大不相同[6]。

在过去的几年里，我们开发了一套简单的物理学科演示实验方式，令其可以在家里使用廉价的设备和废旧的材料重复进行。我们在不同层次的学校和大学里，在传播活动中，在为老年人开设的课程中和在公开展览中，对这种方法进行了测试。最终我们得到了各个参与者的参与度和其学习结果相关的改进结果。

在本文中，我们介绍了自身的一些经历，这些经历已在托斯卡纳区的高中学生课程、老年人课程(佛罗伦萨市自由时代大学)和留尼汪教师准备课程中进行了测试，并介绍了这些教学经历的结果。

2、演示实验

我们进行了不同次数的演示实验，共有十个实验（表 1）。在本文中我们将回顾一下这些实验，包括对所用叙述背景的一些描述，以及对演示实验内容的讨论参考。当然，演示实验和叙事部分会随着时间的推移而演变，我们在这里呈现的是最新版本。我们试图激发评论和讨论，以指出一些显而易见地截然不同的学科之间意料之外的联系。每次演示实验后，最常见的“口号”(要求参与者一起喊)是“为什么？

表 1. 10个最常见的演示实验。

2.1.沉没的泰坦尼克

我们从泰坦尼克号[7]沉没的一些场景开始演示实验。在电影[8]中，杰克和萝丝抓着船尾的栏杆，就在沉船前不久，杰克说:

在我们下水前深呼吸并保持住这种状态，这艘船就会把我们往下吸。向水面踢水，一直踢水，不要放开我的手，我们能做到的，萝丝，相信我[9]。

沉船真的有吸力效应吗？如果有，那么又是为什么呢？

在网上可以找到的关于这种吸力效应的理论之一是，这是由于船上含有空气，在逃生时，“减轻”了水的重量，因此无法支撑救生艇和遇难者。[10，11]亚当·沙维奇和杰米·韩门（流言终结者）将这个流言作为对象进行调查，或许是他们使用了一艘太小的船，因此他们没有发现任何证据证明这种效应。

事实上，吸力效应确实存在，许多目击者的描述[12]都有记载，而且这是很容易重现的。拿一个又高又窄的容器，装满(可能是彩色的)水，用一个玻璃杯(最好是厚杯底)模拟泰坦尼克号。标出水(海)面，要求观众预测该面在船沉没后的结果。它会升高吗？还是会保持不变？或者是会降低吗？

通常情况下，绝大多数参与者都会在公开场合投票支持第一种方案，而且看到“海平面”实际上比船下沉要低时(图 1)，他们仍然会相当惊讶。

我们可以让观众通过这个机会来理解阿基米德原理。阿基米德原理是：一个浸入流体中的物体受到的推力等于被置换流体的重量。由于容器是由比水重的材料制成的，它们排出的水必须比它们所用材料的体积多，一旦下沉，它们只能排出后者的体积。因此，一艘正在下沉的大船在海洋上挖了一个“洞”，周围的水冲进去填满了这个洞，并拖着不幸遇难的船。

关于阿基米德定律的许多其他叙述也是有可能的。例如，当列奥纳多·达·芬奇于1482年到达米兰时，这座城市被各种各样的水路穿过。其中一些河流，如马尔特萨纳河，会流经其他河流，比如莫尔格拉河和兰布罗河。而达芬奇的客户卢多维科·伊尔莫罗担心，一艘船通过这条桥渠时，再加上它的重量，会超过桥梁的承载能力。而列奥纳多清楚地解释了会发生什么：

沿着河流经过桥拱的船的巨大重量并不会增加桥本身的重量，因为船的重量与它排出的水量完全相同[13]，并且有几个例子可以说明这种效应[14，15]。

图 1. 泰坦尼克号沉没后降低海平面

2.2.瓶中的潜水员

泰坦尼克号载着许多富人，因此有许多探险队试图找到那些富人的物品和财宝[16]。我们可以在瓶子里模拟一次潜水探险。先用马克笔和橡皮泥制作一个笛卡儿潜水员(Pongo)[17]，再把盖子顶部的洞封闭，然后我们加重了喷口的负担，使潜水员勉强能漂浮，接着我们把它放在一个装满水的塑料瓶里，水一直到瓶口，最后我们把瓶子塞住。而既然瓶子是密封的，我们能怎么使潜水员下去呢？

为此我们展示了使用了我们的“脑力”磁化任何物体(或参与者的手)，以诱导潜水者随意上下运动。实际上，我们所做的只是通过用一只手挤压瓶子来增加瓶子内部的压力(为了不让参与者发现这个窍门，瓶子必须完全装满，否则它的变形太明显)。一些已经准备好的瓶子在参与者中传阅，以便他们自己检查效果。

但现在的问题是：当我们挤压瓶子时，瓶子内部会发生什么？好吧，内部压力会增加，但那又怎样？潜水员为什么会下沉？

一些人提出了关于水的密度会不断增加的解释，但这在任何情况下都是更倾向于漂浮的。因此我们将实验“分解”成几个部分，然后问自己：为什么盖子是漂浮的，即使它是由密度比水大的材料制成的？

最后，我们得出了正确的解释：是盖子的气泡使其漂浮，通过增加不可压缩的水的压力，使该气泡的体积减小，从而减小浮力，以使潜水员保持漂浮。

如果要把这种现象在视觉上表现出来，可以用一顶透明的盖子代替潜水员。考虑到水压会随着深度的增加而增加，通过调整手的力量也可以让潜水员在某个深度保持静止。但是根据阿基米德原理，再结合斯台文(流体静力悖论)和波义耳定律[18，19]，这场表演可以变得更加戏剧化：将一串用一次性塑料瓶的盖边、一些塑料珠子和胶水制成的“珍贵项链”沉入水中，然后让潜水员（潜水员的橡皮泥上绑了一些钩子）取回它们[17]。

2.3.网中的水

这个实验通常是用一块布(一块“手帕”)进行的[20，21]，但在这里我们使用的是金属丝纱网[22]。我们先将一块薄纱放在玻璃罐上，并用橡皮筋固定，然后将罐子里装满水以示水可以透过薄纱流出，接着我们用一块塑料布封闭罐子，把所有的东西都倒过来，最后，我们慢慢地侧滑塑料布。实验表明，除非把罐子倾斜，否则水不会落下。令人惊奇的是，人们可以用一个网眼很大的网（网上有直径大约半厘米的网眼）来重复这个实验。在这种情况下，实验成功与否在很大程度上都取决于我们是否能保持表面水平。而只需轻轻倾斜或击打罐子(或网状物上的一个褶皱)，水就会落下。

实际上，人们应该对把水保持在网里的困难感到更惊讶。我们已经表明可以使用具有封闭上端的吸管来“移液”水样品。因此人们可以用一根稻草，哪怕上面有一个很大的“洞”，最大可以有一厘米，这样水也不会流失。

不同的是，网相当于许多连通吸管(因为它们通过液体连通)。为了说明发生了什么，我们构建了一个具有两个连通吸管的设备(图 2)，每个吸管的直径约为6毫米。假设吸管是半填充的，它们相当稳定，并且设备可以毫无问题地倾斜。然而，如果该装置中的中央吸管被水充满，则其他吸管几乎不可能将水保持在其中。

由于两个水-空气膜通过水连接，它们会将压力从一个膜传到另一个膜上，类似于两个连接的肥皂泡沫[23]。即使是很小的倾斜也会增加较低处的水-空气表面上的重量，这会超过表面张力。使用单独的吸管，所述表面张力和所述吸管内部的凹陷可保持水达到“T”装置的中心臂中的水平，这证明泄漏效果是由连通器引起的，而不仅仅是水压。

图 2. 连通吸管。当水位低于连接通道(左)时，两根吸管实际上是分开的，它们可以保持一定高度的水(甚至比图中高得多)。当吸管被水连接(右)时，高度的差异导致下表面破裂，水就掉落了。

2.4.平衡的扫帚

让我们转到力学。钢丝扫帚[24，25] 是一个近乎神奇的“把戏”。我们拿起一把扫帚，要求观众找到它的质心，也就是说，它有一个可以在手指上保持平衡的点。当然，要找到这一点，我们需要经过多次尝试，但我们可以看到，如果扫帚不完全平衡，它就会掉下来。

然后，我们蒙上志愿者的眼睛，让他张开双臂并保持水平，接着我们把扫帚放在志愿者手上，之后，我们要求他的双手慢慢地靠近：令观众非常惊奇的是，扫帚没有掉下来，两个手指在它的质心正下方接合(图3)。这是为什么？

扫帚坚硬主体的平衡的稳定是因为力的总和相互抵消 (否则该物体会加速)，但这也是由扭力的抵消来实现的(力乘以力矩)，要不然物体会旋转。两个手指没有施加相同的力：更接近质心的手指施加的力更大，这个更大的力是可以验证的。现在摩擦力开始在其中扮演一个角色。摩擦强度由摩擦系数(两个手指相同)和压力得到，更靠近质心的手指会施加更大的力，因此感觉更有摩擦力。因此，另一只离质心更远的手指开始滑动，滑动到比另一只手指更靠近目标。所以，两个手指交替滑动直到它们在扫帚的质心下结合。

图 3. 作用在扫帚上的力

2.5.弹跳球

另一个神奇的效应是由两个比平时膨胀得多的球产生的(因此它们有很高的恢复系数)。例如一个篮球和一个网球[26，27]。 我们首先说明了它们的弹性性质，表明它们会反弹到最开始的高度，正如伽利略指出的，所有物体下落的加速度都相同。这意味着，如果两个球从相同的高度落下，它们会以相同的速度同时落地。

然后我们将它们堆叠起来，把比较轻的网球放在更重的篮球上面。在上面的球会反弹到什么高度？和以前一样吗？还是两倍？或是更多？令观众惊讶的是，网球跳了3-4米高，甚至更多。这是为什么呢？

为了用一种简单的方法得到答案(图 4)，我们假设这些球是完全弹性的物体，并且质量较大的球的质量无限地大于另一个的质量[28]。参与者只需要记住一个公式，它来自于能量守恒定律

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