真的是重力减小了吗？
尤爱惠 陈显盈 柳冠凡
摘 ? 要：利用“物理发明”玩具开发中学物理系列实验，演示各种重力看似减小或消失的趣味现象，不仅体现STEM理念，也有利于学生物理核心素养的培养。
关键词：重力减小现象;“物理发明”;系列实验;STEM理念
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ?文章编号：1003-6148（2020）10-0046-4
据说2020年2月11日这天地球引力最小，于是大家在家里用“扫帚”做实验，并在微信群晒同一个有趣的现象：一把“直”立不倒的扫帚。這些现象好像违背了物理规律，那么真的是重力减小了吗？
物理课程标准提倡师生利用身边随手可得的生活用品自制教具进行实验。“物理发明”作为在学习、生活、工作和劳动中，对那些感到不方便、不称心的物品或过程，结合物理知识加以改进、改革和创新的物品或方法，在发明或使用过程中往往蕴含着深奥的物理现象或物理原理，如立而不倒的陀螺就是一种常见的“物理发明”玩具。如图1所示，我们利用生活中的各种“物理发明”玩具开发并演示了各种“立而不倒”“浮而不沉”“悬而不掉”“爬而不滑”“转而不坠”“吹而不落”及“升而不降”等重力看似减小或消失的趣味现象。
1 ? ?“立而不倒”的重力趣味实验
下面介绍几种利用类似陀螺的“物理发明”玩具演示“站立”而不倒的趣味实验现象（见表1）。对于“直”立而不倒的扫帚，实验时只要扫帚的重心O在地面的投影点O'落在支持面内部，就能保持“直”立而不倒，是一种不稳定平衡;“人体不倒翁”演员可翩然来回摆动，最大幅度接近90°，其原理与普通不倒翁原理相同，是一种稳定平衡;对于“动”立而不倒的 “走钢丝”自行车，由于增加配重其整体重心低于钢丝，在侧向倾斜时整体重心会升高，在重力的回复力作用下保持稳定平衡，同时在平移时保持平衡不倒，这又是一种随遇平衡。
2 ? ?“浮而不沉”的重力趣味实验
生活中有许多“悬浮”发明产品或教玩具，好像被施了魔法重力减小或消失了一样，其实这是由于有一个竖直向上的“隐形”力（视觉假象或不易观察的力）或非接触力（如磁力）平衡了重力。其实，有些“悬浮”现象只是一种视觉假象，对于悬浮杯，其杯体背面隐藏着一个手柄，只不过被遮挡了;对于悬浮水龙头，其实水流中隐藏着一根透明的水管;“磁悬浮”地球仪能稳定悬浮，除了用磁力来平衡自身的重力之外，还用磁传感器来控制磁场力的大小（见表2）。
3 ? ?“悬而不掉”的重力趣味实验
悬空的物体在自身重力的作用下容易掉下来，但是有些物体可以做到大部分悬空甚至整体悬空都掉不下来。有些人会利用障眼法表演单手悬空魔术，其实人坐在隐藏在宽大衣服里的一个钢板上;纸币可以悬空，是由于折叠的100元纸币里隐藏着一枚1元硬币，使整体重心偏向一端;几乎整体悬空而不掉落的锤子，是由于其锤头很重，重心偏向内侧且在桌角的正下方（见表3）。
4 ? ?“爬而不滑”的重力趣味实验
一般情况下，放在斜面上的物体由于受到重力而沿斜面向下滑动，但是有些物体反而好像会自发地向高处爬坡。锥体沿双杆爬坡是一种视觉假象，爬坡的是接触点位置，其整体重心位置还是降低的;对于沿斜面爬坡的圆筒，是因为里面安装了弹簧片或偏心重物，通过弹性势能或重力势能转化为爬坡的动能;乒乓球能沿空心管爬坡，根据伯努利原理可知，是由于有高速气流通过的圆筒上部和圆筒底部形成了气压差（见表4）。
5 ? ?“转而不坠”的重力趣味实验
许多转圈的物体也可以做到不容易坠落的动态平衡。根据圆周运动和向心力的知识可知，绕圈的“过山车”和水流星的水做圆周运动所需的向心力不小于重力就不会掉下来;用高脚杯扣住乒乓球并快速旋转杯底，由于离心力与杯壁之间有较大的挤压力和摩擦力，所以乒乓球就不容易掉下来（见表5）。
6 ? ?“升而不降”的重力趣味实验
一般情况下，物体在自身重力的作用下会下降，但是有些物体反而会出现“不降反升”的现象。上升的孔明灯的原理与热气球的原理相同，皆是利用热空气之浮力使球体升空;将一个机翼模型穿在铁丝上并用电风扇水平吹风，根据伯努利原理可知，机翼模型会沿着铁丝上升;不透明的管子里外各有一个乒乓球，用小磁铁吸在一起，里面的乒乓球受到水的浮力上升，外面的乒乓球也会沿外壁缓缓上升，实验现象非常有趣（见表6）。
总之，许多重力看似减小或消失的物理趣味实验现象，其实并非是重力真的减小或消失了。作为物理教师，我们应充分利用“物理发明”玩具积极开发并演示更多适合中学物理教学的实验，这些实验不仅与物理等科学知识紧密相关，同时也涉及到了技术、工程、数学等其他学科内容，这不仅符合steam的教育理念，也有利于学生物理核心素养的培养。
参考文献：
[1]陈显盈，尤爱惠.两地重力加速度不同引起的奇闻异事[J].物理教学探讨，2011，29（1）：76-77.
（栏目编辑 ? ?王柏庐）
