娱乐的意义(连载7)

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1、1科学和文化论坛娱乐的意义（连载 7）陈青华1 姜水根1,2 杨榕楠1 （1宁波市效实中学，浙江 宁波 315012 2宁波华茂外国语学校，浙江 宁波 315192 ）娱乐，是人类生活不可缺少的组成部分，它填补了闲暇时间，缓解了生活压力，影响了人们 的审美情趣、行为方式乃至思维习惯我们每个人，从儿童时代到长大成人以至花甲之年，可能 玩过各种玩具，参加过多种游戏在这些玩具和游戏里，既有观赏性、休闲式的消遣，也有动感 的、体验性的尝试，还有智力或体力上对抗性的“博” ，甚至加上钱物作为激励的“赌” 玩具的 种类和游戏的方法千种万态、层出不穷，本文仅从中学物理教师的角度，从物理原理和文化影响 的视角

2、来谈娱乐的意义 1 娱乐内容的变迁娱乐内容的变迁 物理科学的建立是从力学开始的，阿基米德最早为静力学奠定了科学的基础与科学的发展 相似，人们的娱乐也从力学开始 幼小的孩子玩积木，积木也许是孩子们最早接触的、具有科学意义的玩具积木有正方形、 长方形、三角形、圆柱形等多种形状，都漆着鲜艳的颜色根据图纸提示的样式，用积木可以搭 出房子、桌子、桥、宝塔等各种造型 学生接触物理就是从物体的平衡开始的在讨论物体的平衡时，首先遇到的是二力平衡，如 静止在水平桌面上的木块，悬挂着的电灯等如果考虑到物体的形状和质量分布，那么物体的平 衡要更复杂些，即物体重心必须在其支撑面之内倾斜的积木一旦重心处于支撑面之外就会

3、翻 倒小孩子玩搭积木，有时重心超出了支撑面，有时斜面的静摩擦力太小，结果积木就翻倒或滑 落了然而小孩子并不在乎这些，对他们来说就是玩，倒了可以再搭，搭了后来再倒会玩的孩 子总是开心的，玩乐的经历对学科学总是有益的，在玩的过程中不知不觉就积累了经验积木搭 好了，那是平衡控制得好；积木搭倒了，倒了也有倒了的道理小孩子搭积木，不仅是增强动手 能力，更是在实践中体验活生生的物理多少年以后，当他们学习物体的平衡的时候，当他们了 解平衡的稳定性的时候，当他们掌握了静摩擦力和自锁原理的时候，他们还会再想起小时候玩的 积木 不倒翁也是小孩很早就接触的玩具不倒翁为什么不会倒呢？这就涉及到 平衡的稳定性下面是一个

4、关于不倒翁的物理题目：如图 1 所示，儿童玩具不 倒翁高 h21cm，质量关于轴 KD 对称分布不倒翁的下部是半径 R6cm 的 半球面，在对称轴的底部有一个小铁块，不倒翁的质量为 m=300g，重心在对 称轴上离底部 3cm 处问不倒翁为什么不会翻倒？如要使它在水平面上失去稳 定平衡，试问最少需在头顶 K 加多少质量的塑泥？ 在这里，不倒翁不倒的秘密在于其重心在 O 点正下方，所以当不倒翁直立于水平面上时， 其重心位置最低，此时无论往哪边拨动，它的重心位置都将升高直立于水平面的不倒翁处于稳 定平衡状态，要使不倒翁失去平衡，必须在不倒翁的头顶加塑泥使其重心的位置高过 O 点，使 它在水平面上的

5、平衡成为不稳定平衡 大一些的孩子玩弹子，打弹子游戏所涉及的物理原理是玻璃球之间的碰撞由于玻璃球硬度 大、弹性好，两个相同玻璃球之间的碰撞可以当作弹性碰撞来处理打弹子实际上是很有讲究的， 里面蕴藏着十分有趣的碰撞规律由于打弹子是轮流进行的，所以可以把两球碰撞的问题简化为OKhR图 1 不倒翁D2弹子 A 去碰撞静止的弹子 B，由动量守恒的矢量式，得，即三AABmvmvmvvvv AABvvvvvv个速度矢量可以构成一个三角形，又因为碰撞前后动能无损失，即222 AAB111 222mvmvmv，所以由、与三个矢量构成的三角形为直角三角形，证得与互相222 AABvvvAvv Avv Bvv Av

6、v Bvv垂直所以打弹子时弹子分开的角度都是直角有的孩子打弹子的技术非常高，可以毫无偏倚地 击中对方的弹子，打出了定心弹，这就是质量相等的两个弹性球在对心碰撞之后交换速度我们 物理教师往往觉得会玩的孩子聪明，实际上是这些孩子在玩的过程中有一种对物理现象的观察和 实际经验的积累 再大些的孩子就要玩滚铁环了滚铁环需要一定的技术，但很快可以掌握滚铁环时铁环为 什么不会倒下呢？这里的奥妙在于转动的物体具有定轴性像这样的利用了转动物体的定轴性的 玩具还有许多，如“打煞胚” 注 1 、 “棱角锥”等 现代的游乐场所还推出了一些新的玩法很多人都喜欢坐过山车一列长长的旅游车，满载 着欢乐的大人和儿童，从高高的

7、轨道上开下来，进入一个竖直的圆形轨道，来一个大回环旋转， 其惊险和刺激使得满车的人发出一片惊叫声有人会认为这项娱乐太危险，不敢玩，学过向心力 和机械能守恒的孩子会解释说：在高于 2.5 倍圆轨道半径的高度下来是不危险的（不考虑阻力的 影响） 这个解释并不正确，因为在这里过山车并不能当质 点来处理高中物理中有一道竞赛题就涉及这一问题：如 图 2 所示，玩具列车由许多节车厢组成，它以某初速度沿 水平轨道行驶并进入一竖直圆形轨道设列车的全长为 l， 圆形轨道半径为 R，R 远大于每节车厢的长度，且 l2R试求列车不致脱离轨道应具有的最小初速度如 果列车是从光滑的轨道上静止滑下来的，问它应当从多高处滑

8、下？ 虽然力学玩具大多数是不费体力的，但是一般说来像打弹子、滚铁环、抽打棱角锥之类的游 戏男孩子玩得比较多女孩子比较文气，她们更喜欢有着丰富装饰的风车、竹蜻蜓、不倒翁之类 的玩具男孩子是喜欢“玩”玩具，喜欢的是玩的过程女孩子则往往喜欢玩具的外观，喜欢玩 具的形状和色彩，她们特别喜欢玩万花筒之类的光学玩具万花筒是由三个平面镜互成 60组 成，少许彩色的小纸片经多次的平面镜的反射，形成了六角形中心对称的图案这些色彩斑斓、 五花八门的图案在女孩子们的眼中，就如同美丽多姿的彩蝶、翩翩飞来的仙子，蕴涵着她们对神 奇世界的美妙幻想 众多的力学玩具具有结构简单、玩法随意、活动性强的特点，在玩的时候有着儿童特

9、有的乐 趣从上世纪末开始，各式各样的电子玩具纷纷出现，从电动娃娃、电动汽车到遥控的汽车，再 到电子游戏机，这类玩具很快取代传统玩具成了孩子们的新宠与力学玩具相比，电子玩具的结 构变得复杂，涉及的原理也深奥多了，尤其是电子游戏，从俄罗斯方块、挖地雷到武打擂台、两 军对抗，可以说都是高新科技的产物但电子玩具和游戏的操作却并不复杂玩电动汽车，小孩 只要打开电源开关，汽车就在电池电力的带动下前进了；玩遥控汽车，只要操纵遥控器上的几个 按钮，就能控制它进退自如了玩电子游戏的过程虽然只是按按键盘、点点鼠标，它在显示屏上 的场景却是千变万化，有着种种机巧。与力学玩具和游戏相比，电子玩具和电子游戏确实使孩子

10、们减少了对事物运动的初级认识和感性体验，但这些新的娱乐方式能让孩子们从游戏中享受丰富v0R图 2 过山车竞赛题3的信息，展示他们独立的意志和对于情景变化的反应的灵敏度 2 玩物长智玩物长智 打弹子之类的力学游戏常使孩子们乐不思归，而玩电子游戏更是造成孩子们网瘾难戒，如果 说从这一方面看，把这种现象归之为玩物丧志的话，那么从另一方面看，游戏也能促进人的思维、 激发人的创造力，甚至导致科学上的发明，这不妨称为玩物长智 在 20 世纪 30 年代，美国市场上曾流行一种“魔棒”玩具这种玩具像一枝笔杆，上面似乎 什么也没有但是，当用这枝杆子在白纸上写字、画画后，再撒上金属粉，白纸上就会显示出字 和画来这

11、种神奇的秃笔被人们称为“魔棒” 魔棒写字的原理其实并不神秘，就是利用了静电魔棒是用橡胶制成的，在纸上写字时与纸 摩擦，会使纸带上正电，而金属粉则带负电，所以纸上摩擦过的地方就吸住金属粉，显出字画 来魔棒玩具流行后，不只是给小孩带来了乐趣，更重要的是这一玩具还促使了一项现代新科技 的发明当时有一个叫切斯特卡尔森的大学毕业生，到纽约一家电器公司当办事员，做些抄写 的工作他在干活时想，要是有一种机器能像照相那样，可以把要抄的文件誊印下来就好了于 是，他想起了童年时代玩过的“魔棒” 他仿照魔棒的原理，找来一块涂硫的金属板，用手帕在 上面摩擦，使它带上正电荷然后在一块玻璃板上写上字，用灯光透过玻璃对金属

12、板曝光，再在 金属板上撒上带负电的石松子粉不一会儿，玻璃板上写的字就在金属板上显示了出来接着， 他将张蜡纸压在金属板上，字就复印到蜡纸上去了就这样，他 发明了最早的复印机现代办公不可缺少的复印机，竟是受小小的 魔棒的启发而发明，这是多么奇妙的发明思路! 电影是 19 世纪娱乐业最伟大的发明之一，它的基本原理是依 赖人视觉的暂留本能落下的雨点看上去像条雨丝，夜空中的流 星划出一条亮线这些对自然现象的感觉就是视觉暂留造成 的1825 年，英国医生约翰帕尔斯博士根据人的视觉暂留本能 发明了一种幻影转盘玩具，这种转盘上画有不同画面，如一只鹦鹉 和一个鸟笼当转盘旋转起来之后，人们就会看到鹦鹉入笼的画面，

13、 令人惊奇不已，所以这种玩具又叫“惊盘”（如图 3）1891 年， 爱迪生受“惊盘”的启发，经过两年的研制，终于发明了世界上第 一台电影摄影机 望远镜是一种观察远处景观和天体的工具，它的发明也是从儿童玩耍中引发而来1608 年， 荷兰米德尔堡眼镜制造商汉斯李波赛看到店外的两个小学徒在玩弄镜片，这两个孩子玩得手舞 足蹈，十分开心汉斯李波赛问清缘由，原来是他们通过两片镜片看到远处教堂的风向标放大 了李波赛十分激动，马上回到店里，用一个纸筒把镜片固定起来，这样观看远处的东西不仅放 大了，而且方便多了第一台望远镜就这 样诞生了，李波赛给它起名为“看东西的 管子” ，中文的译名叫 “窥管” 第二年， 意

14、大利科学家伽利略听到李波赛发明窥管 的消息，经过理论研究，证明这一发明符 合光学原理接着，他也亲自动手磨制了 镜片，并且设计了一种可以滑动的双层管 筒，制成了可以调节的窥管，并为这种窥 管起了个新名字：“望远镜” 1609 年图 3 惊盘图 4 竹蜻蜓和直升机4深秋，伽利略首次把望远镜对准星空，发现了很多新的天文现象 竹蜻蜓是一种常见的儿童玩具（如图 4）用双手搓一下柄，竹蜻蜓快速旋转起来后就会向 天上飞去受此启发，后来人们造出了一种无需跑道、直接能从地面升起的飞机，这就是直升 机竹蜻蜓实际上就是一个螺旋桨，当螺旋桨旋转起来的时候，它的倾斜的桨面会对周围的介质 起到推挤作用，介质对桨则会产生一

15、个反作用力，直升飞机的升力就是靠螺旋桨旋转向下推挤空 气而产生的将螺旋桨的轴固定，如果用机械带动它旋转，就会使周围的空气流动起来，这时它 就成了一个风扇；如果风吹它，它会向相反方向旋转，这就是风车小风车也是为人们所钟情的 玩具之一大风车则可作为动力机械，从前在欧洲尤其是在荷兰特别流行，风能的动力常用于磨 粉，风车的英文名 windmill 就是这个意思 对于科学家们来说，娱乐不只是用来打发时间的科学家的研究活动经常有娱乐的性质，或 者说科研活动本身就是他们的娱乐陀螺这种玩具既好玩，又充满科学奥秘，费米在学生时代就 试图解释陀螺的奇异行为，从而养成了善于钻研问题的习惯；玻尔和泡利即使在年老的时候

16、还是 很喜欢玩一种能翻转的陀螺 很多人都玩过陀螺，陀螺高速旋转的时候虽然只有一个点着地，可也不会倒下居里夫人曾 说过：“我要像陀螺那样不停地旋转当我像嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转时，就自然排除了外 界各种因素的干扰”高速旋转的陀螺为什么能排除外界干扰而不会倒下呢？原来陀螺的质量主 要分布在旋转体的边缘，转动惯量特别大，所以其定轴性非常好人们利用陀螺的这种特性制造 出了飞机、轮船导航用的陀螺仪 陀螺仪的万向支架设计是十分巧妙的，它由内环架和外环架构成有了万向支架，无论有多 大的风浪，船体怎样摆动，也无论在怎样复杂的气流中，飞机如何颠簸，都不会改变高速旋转的 陀螺的自转轴的指向令人惊奇的是，1987 年，在陕西省扶风县法门寺塔基地宫内出土的大批 金银器中，有两枚镂空银薰球，这两枚 银薰