趣味实验在物理教学中的应用探讨
——以“悬浮的乒乓球”为例

(南京师范大学教师教育学院，南京 210097)

1 对“悬浮的乒乓球”气流倾斜最大角度的探究

1.1 “悬浮的乒乓球”实验原型

我们常常可以看到这样一个趣味实验：用吹风机竖直向上吹一个乒乓球，可以看到乒乓球被向上的气流所支撑，悬浮在空气中。如果我们调整吹风机吹出气流的方向，使气流倾斜，可以发现乒乓球仍然可以在空气中悬浮。

实验原理：吹风机竖直向上吹时,在竖直方向上，气流的冲击力和乒乓球自身重力二力平衡。而根据伯努利原理，吹风机吹出的风使得乒乓球表面附近的空气流速加快，气压减小，而外围气压相对高，压力指向中心，起到稳定乒乓球的作用，因此球不会掉下来。

在吹风机气流倾斜的情况下，乒乓球在空中是转动的，使得乒乓球一侧的气体流动加快,而另一侧的气体流动相对减慢,根据伯努利原理,会产生一个垂直于气流方向斜向上的力。这个力,加上沿着气流方向斜向上的冲击力,还有乒乓球向下的重力,三力平衡。所以，乒乓球可以悬浮在空中。

1.2 对“悬浮的乒乓球”气流倾斜最大角度的探究

通常“悬浮的乒乓球”是以定性的方式展现，通过定性实验，学生知道了乒乓球可以在吹风机形成的气流中悬浮。但是在实验中，当气流倾斜角度过大时，乒乓球还是会掉落下来。那么，气流倾角最大可以是多少呢？

为探究在保持乒乓球处于稳定状态下气流倾斜的最大角度，笔者考虑了乒乓球大小、风速大小和乒乓球破损这三种可能的影响因素，设计了相应的探究实验。

1.2.1 探究风速大小对实验结果的影响

实验材料：吹风机、1个乒乓球、量角器。

实验步骤：(1) 接通电源，将吹风机开至最小风挡，竖直向上吹；

(2) 将乒乓球置于吹风机出风口上端，待乒乓球悬浮稳定后慢慢撤去手的挡护；

(3) 从竖直方向开始慢慢倾斜吹风机，直至乒乓球不再保持稳定、剧烈震荡并掉落；

(4) 记下这时吹风机轴线与竖直方向的倾角大小，多次实验并将数据填入实验表格；

(5) 将吹风机风挡换至中挡、最高挡，重复上述实验并记录数据，得到的实验数据如表1所示。

表1

实验结论：风速的大小影响保持乒乓球稳定状态下气流倾斜的最大角度。风速越大，保持乒乓球悬浮的最大气流倾角越大。

1.2.3 探究乒乓球破损情况以及注水对实验结果的影响

对乒乓球破损情况以及注水后质量增加对保持乒乓球悬浮的最大气流倾角影响的探究，实验设计如下。

实验材料：吹风机、3个乒乓球、水、注射器、剪刀、胶带、量角器。

实验步骤：(1) 用剪刀在乒乓球表面戳一个小洞，分别用吹风机的低、中、高三挡风吹乒乓球，测量乒乓球保持悬浮的最大气流倾角，并记入表2；

表2

(2) 取一只压扁的乒乓球，分别用吹风机的三挡风吹乒乓球，测量乒乓球保持悬浮的最大气流倾角；

(3) 取一只乒乓球，用注射器向乒乓球内注入约为球容积1/2的水，封住注水孔，再分别用吹风机的三挡风吹乒乓球，用低风档时乒乓球不能保持悬浮状态，笔者测量了用中、高档风时的最大气流倾角，并记入表3。

表3

实验结论：乒乓球表面小范围出现轻微破损，对保持乒乓球稳定状态下气流倾斜的最大角度影响不大。但是在本次实验中，小球在倾斜气流中的旋转比没有破损时更加平缓，在气流中也更加稳定、震荡很小。

在将乒乓球压扁的实验中，乒乓球虽然能够被轻易吹起，但是无论风速如何，都不能使之在气流中保持稳定状态。

乒乓球注水后，球的质量变大、重心偏移。从实验中可以发现：较低风速已经无法使得乒乓球悬浮于空气中；调到中、高速风挡时，保持乒乓球悬浮的最大气流倾角也较之前无注水情况要小很多，中、高风挡所得最大倾角也接近相同。

2 趣味实验融入物理课堂的途径与方法

2.1 教学内容的选择

“悬浮的乒乓球”这一趣味物理实验看似简单，实则包含了多个物理知识点：气体压强、力的平衡、受力分析、伯努利原理等等。针对不同的主题，将这项趣味实验在不同阶段物理教学中演示，对于课堂教学也会有不同的效果。结合各阶段物理教学内容，笔者对“悬浮的乒乓球”这一趣味物理实验可用于课堂教学的途径提出如表4所示的建议。

表4

2.2 趣味物理实验的教育功能探讨

“悬浮的乒乓球”实验取材简单、现象明显、知识内容丰富，适合教师课堂演示，也便于学生课后探究。

对于没有物理知识基础的人而言，乒乓球能悬浮于空中就足以令人感到惊奇；而对于具有一定物理知识基础的人来说，竖直方向上的悬浮不难理解，倾斜方向仍能保持稳定悬浮才让人惊奇。不论学生所处的教育阶段如何，趣味物理实验都能够很好地激发他们的学习兴趣和好奇心。在物理教学课堂上融入趣味小实验，不需要占用很长时间，却足以吸引学生的注意力，调节课堂氛围，这就是趣味物理实验的魅力所在。

课堂上展示的趣味小实验也许很快就结束了，但是它对学生的影响可能才刚刚开始。有些对课上实验感兴趣的学生会在课后自己动手实验，初衷也许只是想要继续观察和分享趣味实验带来的奇妙现象，但是也许在重复老师实验的过程中，学生可以产生新的实验改进思路。亦或是在实验中产生了困惑，从此开启了自主探究之路。例如“悬浮的乒乓球”实验，从定性实验拓展到定量探究。也许只是出于对最大气流倾角的好奇，但是抓住了这个思维上的小火花就能够为探究实验、研究性学习等提供一个很好的出发点，甚至能够为创新打开一扇门。

在《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提出了培养物理核心素养的目标，通过趣味物理实验在课堂教学中的融入，可以帮助学生构建新的物理观念；让学生在自己动手再现实验的过程中，从批判性思维的角度思考并对实验进行创新设计；以课堂展示的趣味物理实验为基础，学生还可以针对自己想要探知的课题进行探究性实验。这些都是课标中物理核心素养所要培养和提升的能力，也是趣味物理实验的教育价值所在。

3 结语

趣味物理实验看似以趣味为主，实则内涵丰富、影响深远。目前有很多物理教育工作者只看到了它吸引学生注意力的表面优势，却忽视了它对培养学生物理核心素养的潜在价值，造成了趣味物理实验在物理课堂教学中的缺失。物理是一门基于实验的科学，将趣味实验更多地融入课堂教学中，对提高物理教学的效率大有帮助。