学物理,如雾里,原来是我打开方式不对 | 陈征

2021-05-04 20:31:07 果壳

2020年12月26日,“科普中国-我是科学家”第31期“科学真好玩”演讲现场,北京交通大学物理系教师、“典赞·2019科普中国”十大科学传播人物陈征带领大家展开奇妙的物理实验之旅。

陈征演讲视频:

以下为陈征演讲实录:

2020.12.26 北京

大家下午好,我是来自北京交通大学的物理老师,我叫陈征,我的主要工作就是学物理、教物理和玩物理。今天我要跟大家分享的话题叫做《用眼睛和手走进物理》。

这个话题从何说起呢?

一说起物理,很多朋友就突然心头一颤,唤起了中学时代被物理老师、被物理课、被物理试卷制霸的记忆。心头的恐惧油然而生。

为什么会这样?

一个很重要的原因是我们中学时代学的物理是非常恐怖的,以至于江湖上有这么一个对联,它的上联是“游西湖,提锡壶,锡壶坠西湖,惜乎锡壶。”网友们给它对了一个下联“学物理,如雾里,雾里看物理,勿理物理。”大家都会心一笑,一方面是因为对联确实非常工整,但更重要的是,这对联实在是扎心了老铁,是不是?甚至有人给了这么一个横批,叫“珍爱生命,远离物理”。不知道有多少朋友在这一刻被唤起了恐怖回忆,想起试卷上怎么算也算不出来的题。

大家之所以有这个印象,很大程度上是因为我们当年学的物理确实是这个样子的。我们每天对着课本、公式,计算、推导、证明,然后,每天对着练习册刷题,甚至连考试的实验题都是背出来的。游标卡尺的刻度、电流表的指针……如果这些我们都只是见过试卷上的图片,而没见过真实的东西,结果是什么呢?

结果就像你去学盖房子,有人给了一套非常完备的图纸,详细地说明了每一个流程步骤、每一个工艺细节。可是你从小到大都没有见过砖头瓦片,没有见过钢筋水泥,你从来也没有看过那个墙是怎么砌起来的,顶是怎么架上去的,即便这套图纸再详细,对你来讲也是天书一般,它和齐白石的虾、徐悲鸿的马没有本质的区别。

但是相反,如果把你扔到一个建筑工地上,即便你没有任何理论基础,就在这个建筑工地上搬上半年的砖、砌上半年的墙,最后虽然你还是建不起高楼大厦,但是垒个猪圈你已经会了。在这个时候,加上理论知识的引导,你就有可能成为一个优秀的土木工程师。

物理本身就是一门用观察和实验的方法去跟大自然打交道的学问。我们去探究大自然背后的规律,起点实际是对大自然的好奇、观察和实验。它应该是从我们的感性体验开始的,而不是一上来就对着那些公式。一个有了感性体验的人,当他看到美妙的公式,就会觉得它非常简洁、优美;可是如果没有感性体验作为基础的话,我们就会觉得公式是天书。

所以,我想做的工作,也是我正在做的工作,就是把物理还原回我们认知的过程中去,还原回自然现象本身上去,还原回应用的场景里去。这个时候,你看到的物理就是另外一个景象了。这就是我所谓的,换个方式打开物理。

比如说,我们去背书,杠杆原理——省力就要费距离,费力就要省距离,背着背着就背串了,想不起来省力的时候,到底是费距离还是省距离。但是,如果你有过一次这样的感性体验,当你有10组滑轮,你的力就会被放大,你就可以拖动一个很重的东西 ,例如一架飞机。

这是几年前我在和中央电视台《加油!向未来》节目合作时做过的一个实验。大家看到我在不停地拉这个绳子,但飞机动得很慢,这就是省力费距离,多么直接。当你有过这样的体验,就再也不会背错。

很小的时候,我们学过伽利略的比萨斜塔实验,虽然对伽利略究竟有没有做过这个实验存疑,但是我们总是听说两个铁球同时落地、木球和铁球同时落地等很多个版本。它对你来讲依然只是一段文字叙述,你很难想象那个场景。

同样是在《加油!向未来》这个节目中,我设计了一个60厘米直径、高6米的真空管,来做羽毛和铁球同时落地的实验。我们先把羽毛放在真空里,铁球放在空气里,可以看到它们几乎同时落地。那么我们把它们都放在真空管里的时候,我们来看看下边这个高速摄像视频,可以看到结果依然很接近。

当你有过这样一个直接的体验后,再回过头去想,惯性质量和引力质量竟然如此精密地等效了,这个时候你才会觉得那个事情非常精彩。

物理本身是一件非常酷的事情,除了看,还可以亲身去体验。比如我们来看一下这段视频:

大家可以看到,在舞台上有一个特斯拉线圈,产生一个高压的电弧。从电弧的长度,用1厘米1万伏的粗估标准,你可以粗糙地判断出来已经超过了100万伏。闪电正在劈着一个东西,这其实不是个东西,这个不是东西的东西是什么呢?

是个人,这个人是我。

这个也是我们在《加油!向未来》这个节目上做的一个实验。我坐在一个充满盐水的水池子里,2%的盐水是个导体,电导率很高。我戴着一个用锡箔纸包着的草帽,然后又披了一层铜网,双重防护。这时,草帽上面的锡箔纸和铜网,还有导电的盐水,形成了一个完整的导体,而我藏在导体内部。这就是我们中学学过的静电屏蔽,电荷都在外表面,我安全地待在里面,可以去跟这些闪电做一些交互,它劈我不怕,不但不怕,我们还可以跟它一块来玩一玩。

我们来看一下这段视频:

这个装在水池子里的人,不是美人鱼,还是我。我把身体露出水面的部分裹了锡箔纸,还贴了一层铜网作为双重防护。我们做实验的时候一定是由安全出发,逐渐探索安全的边界。这个时候,我们产生一个几十万伏的高压,你可以看到,我就可以带着闪电走。

我还梦想着以后有一天要做这么一个实验:不要这些锡箔纸、铜网,我就用一根浮潜管把自己藏在盐水池子里,然后拿着一根金属棒藏在水下,肆意地逗弄闪电。这样才是一个更酷的物理。

刚才大家看到的场景毕竟还是视频,今天让大家眼见为实,我们在现场制造一个闪电,给大家看一看。

这里有一个小的闪电发生器,是一个特斯拉线圈。当我们打开它,我们可以看到它制造了一个很小的闪电。当我用灯管去靠近它的时候,你会发现它已经足以使灯管亮起来。这时,其实已经有电流经过我的身体了,只不过这是一个高频的电流,同时电流又很小,所以我其实并没有明显的感受。

我们还可以尝试用一些漂亮的小氖管靠近闪电,依然可以被闪电点亮,也依然有电流通过我的身体,因为是高频电流,所以可以看到趋肤效应非常明显。我甚至可以用手去摸它,也可以带着闪电起舞,还可以用闪电给大家奏个乐听一听。

怎么样,懂点物理是不是就仿佛有个超能力?

我们很容易在身边找到这样的装置,可以经常通过这种方式跟物理打交道。就以闪电为例,我们可以跟它共浴,我们可以跟它共舞,我们还可以把它冻结起来。

这是一块透明的亚克力板,我在上面用钉子敲一下,啪,一道闪光。然后你可以看到这里边不断地有闪电发生,这其实是用高能电子加速器把电子像子弹一样轰进这块亚克力板,然后电子停在亚克力板里面。这时,突然被一个钉子敲了一下,平衡被打破,所有的电荷从钉子的破口瞬间放电,从这里冲出去就形成了一道闪电。而这道闪电会在这块亚克力板里,给我们留下一个印记。这就是一个闪电的雕塑。

这个就是刚才大家在视频上看到的那一块亚克力板,这是由随机放电产生的,世界上没有两个相同的,这就是大自然的神工鬼斧。作为一个五流开外的业余诗词爱好者,我还给他写了首诗——

这个“束流树”的名字是中国科学院高能物理研究所的科学家们给它起的,我沿用了它来解释它的原理。

光看还是不过瘾。我们还可以把电存起来,感受一下大自然的力量给你的心动的感觉。1745年,荷兰莱顿大学的物理老师马森布罗克发明了人类历史上最早的可以把电存起来的设备,叫做莱顿瓶,就是右边的这个瓶子。它可以把摩擦产生的电装起来。

我也做了一个简易的莱顿瓶。这个装置非常简单,就是拿奶茶杯或者是罐头的塑料盒,然后在外面包一层锡箔纸,将两个这样的杯子套在一起,就形成了一个电容,它就可以存储电。

在我们的活动开始之前,我已经预约了几位观众朋友上来跟我一起感受一下心动的感觉。

这个实验非常简单。我这里是一个维氏起电机,用它就可以制造出摩擦起电的电荷。我把摩擦产生的电荷装进这个杯子里。

台上的朋友在这个桌子后面站成一个U形,然后手拉手形成了一个串联电路。当最边上的那位朋友用手指去触碰电极,这一刻就会产生一个放电。

我们就可以感受一下,当大自然的力量经过你的身体的时那种心动的感觉。这种感觉有一个名字,叫做Electric kiss,电吻。

通过几个实验,我们有了体感上的感受。实际上,物理非常有趣。

在今天,我们已经离不开电了。比如说激光打印机,它其实就是利用静电吸附来完成转印的。

我的工作就是希望用这样的方式,给大家换一个打开物理的方式。

我的工作的地点在北京交通大学的物理国家级实验教学示范中心。这是我的实验室,面积500平米,里面有200多个实验装置。

我们希望让大家回归到自然现象本身去,让自然现象本身的美打动你的心,而不是靠我的颜值。

不管我们在自己的实验室里,或者走出去,都会发现物理特别有趣。

比如,我曾经在长城上架过两个这样的卫星天线,利用抛物面聚焦的作用,在慕田峪长城的两个相距接近1000米的烽火台之间对话,利用声音的聚焦平行传输。

我也曾到乡村小学的课堂里去,用塑料绳、气球、易拉罐这样的简单材料去做物理实验,通过这样的方式让学生发现物理无处不在。

为什么要干这件事?“独乐乐,与人乐乐,孰乐?”当然“不若与人”。“与少乐乐,与众乐乐,孰乐?”当然“不若与众”。当我们发现了一个好玩的东西,就希望有更多的人跟我们一起来玩,这就是我们做这件工作的一个原动力。

对于我们所有人来讲,也许未来不一定成为物理学家,但是物理的思维方式、物理的视角会让你的生活变得更美好。希望你和我一起换一个打开方式,用自然现象本身的美来走进物理,用眼睛和手走进物理,留住你与生俱来的好奇心。这时,学物理就不那么难了。就像我在杭州做一个小实验时,摄影师抓拍到了这个孩子的表情,深深地打动了我。我希望大家换一个方式,重新打开物理时,可以放下你的偶像包袱,也露出这样的表情。

欢迎大家跟我一起用眼睛和手走进物理,我们一起玩物理,学物理,用物理。

谢谢大家!

演讲嘉宾陈征:《用眼睛和手去走进物理》 | 拍摄:Vphoto

说到用眼睛和手玩物理,学物理,用物理,物理学家已经为各位想好了路子,手把手教大家怎么打好水漂。

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作者:陈征

监制:吴欧

策划:吴欧 麦芽杨

编辑:阿藜

排版:凝音

校对:凝音

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