网红“反引力时光沙漏空气净化器”原理探究及STEM实验室情景重现

叶冲

（重庆市长寿中学校，重庆 长寿 401220）

最近，一款名为反引力时光沙漏空气净化器的产品很火爆，被誉为黑科技。乍一看，反引力这个词就足以吸引大家的眼球，可是，真的能做到反引力吗？万有引力作为自然界最基本的规律之一，难道会出现例外。这款沙漏到底是怎么完成反引力的呢？用了什么障眼法？我把这个产品介绍给学生的时候，大家都表现出了非常浓的兴趣，所以我决定和学生们一起来探究探究这个网红产品的原理。

要探究这个现象，需要先要明白一个概念——视觉暂留。所谓视觉暂留，就是眼睛看到的一个画面在大脑里面只能暂时存在一小段时间，大概是0.05到0.2秒。如果看到了第一幅画，在接下来的0.05-0.2秒内又接收到第二幅画，人脑就会认为这两幅画是连续的。在视频软件里面的单位叫做帧每秒，所谓帧，可以简单理解为是多少幅画，那么帧每秒就可以理解为一秒钟有多少幅画，比如10帧每秒，就是一秒钟播放10幅画。那么算下来平均每幅画出现的时间是0.1秒，而这个时间是属于视觉暂留的时间，前一幅画仍然在脑海里面，这时观察者就会认为画面是连续的。现在的电影很多是24帧每秒，我们肯定认为画面是连续的，而且，可以推断，每秒的帧数越高，画面的连续性就会越好。

那这个反引力装置到底是怎么回事呢？为什么会看到水滴往上走的这种奇特的现象。其实物理课本上早就出现了类似的原理——频闪照相。我们想研究水滴下落的自由落体运动规律，就可以利用频闪照相。假设水滴下落时初速度为0，每隔0.1秒下落一滴水，灯光没有频闪，打开开关后，可以看到有3滴水在空中向下运动，但是，如果在水滴下落的同时，给它加上的灯光是频闪光，而且闪光间隙刚好为0.1秒，如图1所示，那么我看到的将是空中有3滴水在固定的位置不动。第一滴水本来已经下落了，但是由于第二滴水刚好又出现在了刚才第一滴水的位置，而这0.1秒又属于我们视觉暂留的时间范围内，所以还记得刚刚那滴水的位置，我们的大脑就会误以为是这滴水根本没有动，但实际上，所有的水都已经换了位置，只不过刚才的位置被后面新的水滴给重新占据了而已。借此，我们就可以大胆推测，如图2所示，如果水滴下落时间为0.1秒，而闪光间隙为0.05秒，你会发现，每次灯光一闪，水滴的位置都在变化，用自由落体运动公式可以简单计算，水滴1会运动到11位置，水滴2会运动到22位置，而之前水滴的位置还停留在观察者的大脑里，你会觉得水滴既好像往下滴，又好像网上滴，因为观察者的大脑不清楚11位置的水滴是1位置下落而成的，还是2位置上升而成的。因为11位置比较靠近1位置和2位置的中间。这时，假如我们的频闪时间为0.09秒，则如图3所示，1位置的水滴下降到11位置，而11位置更靠近2位置，由于视觉暂留，大脑会受到“欺骗”，会误认为11位置的水滴来自于之前2位置的水滴；同理，2位置的水滴会下落到22位置，而22位置又更靠近3位置，大脑会误以为22位置的水滴来自于之前3位置的水滴。如果再加一个频闪时间，如图4所示，11位置的水滴会下落到111位置，大脑会误以为111位置的水滴来自于之前22位置的水滴，可以推断，如果灯光频闪时间小于水滴下落的间隔，但是非常接近水滴的下落时间间隔，这种现象会更连贯，从而实现我们开篇所看到的的水滴倒流的神奇现象。

经过理论解释后，学生们似懂非懂，所以我带着他们到STEM实验室做了一个实验。将一个水滴装置置于黑暗环境中，利用实验室里的创客程序箱，连接电脑，用Labplus软件实现编程，调整灯光频闪的时间间隔，最终实现了水滴闪现，水滴下落，水滴上升等一系列的现象。

原理的探究，或许会让学生感觉到有些懵，但是一旦在实验室里面真的实现了这种情景，学生们会感受到了一种科学探究带给他们的极大的兴奋与乐趣，大大增加了学生对物理理论以及实验操作的兴趣，养成了学生遇到问题去刨根究底的思考习惯，也让学生明白了创新对于社会进步的推动，甚至让学生坚定了世间万物一切以科学来解释的正确的世界观。

理论研究，我们高中物理教学往往比较枯燥，甚至是乏味，但是基于STEM实验室的技术支持，我们很多物理理论都可以让学生亲自去试验，去操作，让学生不仅仅是会算几个物理题目，而是真真正正的对物理这门古老的自然学科产生新的兴趣，从而实现新的进步。