中學(xué)物理自制教(學(xué))具魔術(shù)化的創(chuàng)新技法
——光學(xué)中的魔術(shù)策略

應(yīng)發(fā)寶

(北京市中關(guān)村中學(xué),北京 100086)

中學(xué)物理自制教(學(xué))具魔術(shù)化的創(chuàng)新技法
——光學(xué)中的魔術(shù)策略

應(yīng)發(fā)寶

(北京市中關(guān)村中學(xué),北京 100086)

魔術(shù)舞臺(tái)上龐大物體忽隱忽現(xiàn)的離奇變化,主要運(yùn)用了光的反射、折射及偏振規(guī)律．在舞臺(tái)上不同位置安裝一些方向不同的大鏡子(因有幻術(shù)設(shè)計(jì),觀眾不會(huì)感覺鏡子存在),隨著鏡子的移動(dòng)和燈光的變換,可以產(chǎn)生許多變化效果．

1 隱身術(shù)

圖1

魔術(shù)器材:平面鏡、正方體的箱子(圖1)、硬幣.

魔術(shù)演示:教師用手按住上蓋及中間的開口,讓觀眾看看魔術(shù)盒,展示箱子里面是空空的．然后把一百塊紙幣從頂部的投幣口投入,結(jié)果錢不翼而飛了．為了讓大家相信紙幣確實(shí)是投進(jìn)去了,此時(shí)教師把袖子卷起來,再次拿出一張百元紙幣,再次投入,還是消失了．教師說他也可以把消失的紙幣變出來,只見教師拿出紅色的絲巾把箱子遮住,然后把手伸進(jìn)投幣口,不一會(huì)兒兩張百元大鈔就變出來了．

魔術(shù)揭秘:在箱子中按對角線(和底面成45°)斜裝了一塊雙面鏡,將箱子分成兩個(gè)對稱的空間．由于鏡子所成像與原物的對稱性,箱內(nèi)部的棱角在鏡中的像與鏡子另一邊的棱角完全吻合,放在鏡子背面的東西是看不到的．從觀察口看到的箱子,整體好像是一個(gè)完整的空箱子,其實(shí)里面是只有半個(gè)箱子．箱子的頂和底都設(shè)制了可以打開的蓋．把紙幣從空箱子頂部投幣口放入的時(shí)候,其實(shí)錢是落在平面鏡的后面．由于光沿直線傳播,觀眾是不能看見紙幣的．此道具也可讓小孩鉆入鏡后消失,再從鏡后鉆出重現(xiàn)表演大變活人．魔術(shù)巧妙地運(yùn)用了光的反射知識(shí)．

動(dòng)手制作:將硬紙板按圖參數(shù)剪裁,再用透明膠帶固定即可(如圖2)．

圖2 魔箱的制作尺寸

拓展: (1) 飛天幻影[圖3(a)].

天幕上,一位姑娘四面虛懸,在空中旋轉(zhuǎn)、舞蹈,還一邊唱歌,形象優(yōu)美而神秘．其實(shí)裝置并不復(fù)雜,在舞臺(tái)下裝一個(gè)大轉(zhuǎn)盤,姑娘躺在轉(zhuǎn)盤上;舞臺(tái)后上方斜裝一塊大鏡子,與轉(zhuǎn)盤成45°．隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),觀眾平視,就能從鏡子中看到一個(gè)空中旋轉(zhuǎn)的飛天女子．

(2) 珍珠變項(xiàng)鏈[圖3(b)].

裝有雙面鏡的透明杯子還可用來表演珍珠變項(xiàng)鏈、空杯來物、空水變魚等魔術(shù)．著名魔術(shù)大師大衛(wèi)·科波菲爾的“籠中大象失蹤”魔術(shù)也采用了平面鏡這一道具．

圖3 平面鏡魔術(shù)拓展

2 分身術(shù)

魔術(shù)器材:花瓶、平面鏡、展臺(tái)、碎彩紙.

魔術(shù)表演:高高架起的展臺(tái)上,小心地用4根紅綢扎固一只小巧的圓花瓶,瓶口長著的不是鮮花,卻是一個(gè)活潑的小女孩的頭,如圖4．教師繪聲繪色地描述小女孩從小就被放在花瓶中培養(yǎng)及生活情況,學(xué)生則滿臉疑惑卻猜不出其中奧妙．

圖4 花瓶姑娘

魔術(shù)揭秘:展臺(tái)里豎直放置兩塊平面鏡,兩面鏡子夾角略大于90°,鏡子與花瓶的接觸邊修切后恰好完全吻合,如圖5．花瓶放在展臺(tái)的正中心,鏡子的上邊緣被兩條從瓶口到擋板沿鏡子邊緣的紅絲綢遮住,成像后變成對稱的四條;在兩塊鏡子所夾的底部再撒些碎彩紙,成像后布滿了整個(gè)臺(tái)面．展臺(tái)上部為圓形,開口部分為圓形擋板的1/4,兩塊鏡子就對著這個(gè)讓觀眾觀看的窗口．由于展臺(tái)和花瓶都是中心軸對稱的,展臺(tái)邊緣在鏡中所成的像恰好重合于被鏡子擋住部分,看起來好像是完整的空展臺(tái)了．健康的小女孩跪坐在鏡后的展臺(tái)上,只把頭略往前伸,下頜放到瓶口上,身子卻被鏡子擋住而看不見了．觀眾所在的角度卻無法看到自己在鏡中的像,兩鏡反射后成在接縫處的像恰好被花瓶擋住(或者說由于花瓶的遮擋,兩鏡無法二次成像)．這樣觀眾看到的就是一個(gè)撒滿彩紙的空展臺(tái),小花瓶中長著一個(gè)小女孩的頭．魔術(shù)巧妙地運(yùn)用了光的反射知識(shí)．

拓展:兩塊互成銳角的鏡子在兩鏡交角處的360°空間內(nèi)被分隔成對稱的小空間,每一空間里都有一個(gè)物體的像,所以在兩鏡間可成像360/α-1個(gè)像,α為兩鏡的夾角度數(shù),這些像和原物都分布在一個(gè)圓周上,如圖6(a)．如果你置身于用六面鏡子組成一個(gè)封閉的六邊形內(nèi),鏡子經(jīng)多次反射便幻化出無數(shù)個(gè)相同的六角形空間,每一個(gè)空間里都有一個(gè)與你同步活動(dòng)的你,如圖6(b)．玩具“萬花筒”是利用三面鏡子構(gòu)成等邊三角形,在筒內(nèi)放些碎彩色玻璃,從一端望去,就能看到許多對稱的圖案,稍一轉(zhuǎn)動(dòng),便可得到不同的圖案．

圖6 分身術(shù)原理

3 變臉術(shù)

魔術(shù)器材:馬克筆,塑料密封拉帶,白紙板,直尺,水槽.

魔術(shù)表演:教師將一張畫有一只可愛黑貓的卡片放在透明塑料袋中向?qū)W生展示,然后將透明塑料袋垂直放入水中．從水面向下看,黑貓竟然變成了白貓,如圖7．再將塑料袋從水中取出,白貓又變回了黑貓(為避免后排學(xué)生在圖片插入水中以后看不到,建議用攝像頭通過屏幕直播,或拍好視頻后在課堂上播放)．

圖7 互變黑白貓

魔術(shù)揭秘:在透明塑料袋上畫了一只未著色的貓的框架．教師將畫有黑貓的卡片放入透明塑料袋中,塑料袋上的貓框架與卡片上的黑貓重合,因此我們只看見黑貓．將塑料袋放入水中,光由袋中的光疏介質(zhì)空氣進(jìn)入光密介質(zhì)水中時(shí)產(chǎn)生折射,光線會(huì)向水平方向偏移．如此光線抵達(dá)水面時(shí)入射角便會(huì)大于臨界角49°,產(chǎn)生全反射,無法穿透水面,所以從水面向下看,只看到塑料袋上未著色的貓的框架,看不到卡片上的黑貓,感覺黑貓變成了白貓．圖8中長方框代表塑料外殼,中間的分隔線代表紙板．當(dāng)把它緩慢插入水中時(shí),紙板和塑料外殼上的圖案反射的光線經(jīng)過水與空氣的界面時(shí)都發(fā)生了折射,且由于入射角大小不同,折射后的光線被分開．當(dāng)人眼在上端俯視時(shí),只有來自外殼圖案反射的光進(jìn)入人眼,因此就產(chǎn)生了我們所看到的奇妙現(xiàn)象了．魔術(shù)巧妙地運(yùn)用了光的折射知識(shí)．

圖8

動(dòng)手制作:設(shè)計(jì)幾對不同的簡易卡通圖片,一個(gè)畫在塑料密封拉袋上,一個(gè)畫在白紙板上,塑料拉帶上的圖片略小、筆畫略細(xì),以保證當(dāng)把白紙板裝入塑料拉帶,兩個(gè)圖片重合后,遠(yuǎn)距離觀看時(shí)只能看出卡片上圖片的輪廓．

注意事項(xiàng):用磨砂玻璃把面向?qū)W生一側(cè)的水槽遮住,防止學(xué)生正視;水不要裝滿水槽,充分保證俯視角度;保證塑料密封袋不進(jìn)水,防止兩圖片緊密貼合,并且要豎直插入水中,避免傾斜．

拓展:如圖9,透明有機(jī)玻璃制成的立方體容器,被兩塊有機(jī)玻璃沿對角線隔成兩等腰直角三角形,平面鏡平行隔板放置．當(dāng)兩等腰直角三角形容器盛水而隔層不盛水時(shí),形成兩個(gè)全反射棱鏡．在觀看位置的對面貼上白貓,側(cè)面貼上黑貓時(shí),黑貓經(jīng)左棱鏡全反射出現(xiàn)在觀看位置的左側(cè);白貓經(jīng)右棱鏡全反射又經(jīng)平面鏡反射出現(xiàn)在觀看位置的右側(cè)．當(dāng)隔層也盛水時(shí),就不形成全反射棱鏡,白貓經(jīng)水、有機(jī)玻璃折射后直接被看到而出現(xiàn)在左側(cè);黑貓經(jīng)水、有機(jī)玻璃折射,經(jīng)平面鏡反射被看到出現(xiàn)在右側(cè),如圖9．隔層的水可以通過注射器緩慢注入,實(shí)現(xiàn)漸變過程,生動(dòng)有趣,具有魔術(shù)般的效果．

圖9

動(dòng)手制作:制作參數(shù)如圖10．選取4 mm厚的透明有機(jī)玻璃進(jìn)行切割、粘合．粘合時(shí)一定要保證45°和90°的精準(zhǔn),否則影響實(shí)驗(yàn)效果．容器底部安裝兩50 ml的一次性注射器;隔層底部打兩小孔;通過軟管連接小孔與注射器．選取兩合適大小的胸牌,剛好能插入或拔出白、黑貓為宜,把胸牌用雙面膠粘貼在觀看位置的對面和側(cè)面,制作完成．

圖10

4 穿越術(shù)

實(shí)驗(yàn)器材: 透明的有機(jī)玻璃管、2張偏振片、小球.

圖11

魔術(shù)表演:讓小球毫不留痕地從玻璃管的一側(cè)“穿墻而過”,如圖11．

魔術(shù)揭秘:在已知偏振片透振方向的基礎(chǔ)上,可以制作“穿墻而過”魔術(shù)道具,如圖11所示．有機(jī)玻璃管的內(nèi)外直徑尺寸分別為38.0 mm和50.0 mm,長度為300.0 mm;2張偏振片的尺寸為38.0 mm×150.0 mm,透振方向互相垂直(一張偏振片的透振方向沿著寬的方向,另一張偏振片的透振方向沿著長的方向);小球可以是普通的乒乓球也可以是小的彈力球(要求直徑小于38.0 mm)．以玻璃管的中間為分界線,在玻璃管內(nèi)層左右兩側(cè)各粘上1張偏振片,因?yàn)?個(gè)偏振片的透振方向互相垂直,所以從玻璃管的側(cè)面看上去就好像有張黑色紙片擋在了玻璃管的中間,就像一面“墻”．其實(shí)這只是因?yàn)樽笥覂蓚?cè)偏振片的透振方向垂直,光不能透過“墻”,是視覺上的錯(cuò)覺．魔術(shù)巧妙地運(yùn)用了光的偏振知識(shí)．

自制教(學(xué))具魔術(shù)化,讓制作者和表演者合二為一,又讓神秘與揭秘針鋒相對;利用物理原理變魔術(shù),利用魔術(shù)實(shí)踐科學(xué)技術(shù)．魔術(shù)化策略,可以使自制的教(學(xué))具功效發(fā)揮到極致,讓學(xué)生體驗(yàn)過程的趣味性和操作的藝術(shù)性,在多種感觀的刺激下輕松地學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí),培養(yǎng)觀察、推理、分析、判斷和動(dòng)手能力;可以讓物理課堂妙趣橫生,學(xué)生一邊欣賞著變幻莫測的表演,一邊與教師進(jìn)行著一場既緊張又愉快的智力競賽,既得到了藝術(shù)享受,又體會(huì)了學(xué)科的內(nèi)在美．

1 聶劍軍，謝明生.依據(jù)全反射棱鏡功能自制“變臉魔術(shù)”教具[J].物理通報(bào),2013(12)：93-94.

2 張玉成.有關(guān)全反射的三個(gè)“魔術(shù)”表演[J].物理通報(bào),2010(3)：95-96.

本文為北京市海淀區(qū)重點(diǎn)關(guān)注課題“中學(xué)物理自制教(學(xué))具生活化的策略研究”(編號(hào):HDGH2015039)的部分研究成果．

2017-05-12)