导语

  

    本书让读者通过身边的有趣实验完成前沿科技的奇妙体验，同时学习到物理知识，加深对物理概念的理解。这是关于物理学的原创科普图书，作者用独特的视角与方式，深入浅出地为读者揭秘光、电、磁等物理学领域的专业知识，以及与我们的生活息息相关的方方面面身边的物理科学；这同时是面向喜欢动手的科学爱好者的指导手册，让你在轻松完成有趣物理实验与制作项目的同时，探究出“高科技”的奥秘，体验到生活中处处是科学的乐趣；同时最大可能的激发读者的科学思维和创新意识，以全新的视角来体验物理实验的乐趣。

内容提要

  

    本书中的很多物理小实验会用到儿童玩具和科学玩具。用这些玩具做的实验，可以帮助读者掌握很多复杂难懂的物理学概念，因而从某种程度上可以说“几只玩具，半部物理”。本书中主要包含趣味性内容，如音乐中蕴含的物理学知识；但也包含一些启发性内容，如完全抵消与非完全抵消等。
    本书适合高中学生及中学生家长阅读，也可供物理教育教学工作者参考。

    吴进远，曾担任中学物理教师，1977年考取北京大学地球物理学系，获理学学士学位，后于中国科学院声学研究所获超声学硕士学位，于宾州州立大学物理系获高能物理学博士学位。现主要从事粒子物理探测器的电子学和触发系统的研发工作。

前言
第一章  与直觉相悖的几个现象
  一、大气球和小气球
  二、平板玻璃是透镜吗？
  三、“蚂蚁吊大象”
  四、泊松光斑
  五、偏振片互相叠合的实验现象
  六、自行车轮与磁共振成像
  七、海潮为什么每天涨落两次？
第二章  从台球到引力弹弓：完全弹性碰撞
  一、台球技巧
  二、运动物体与静止物体相碰撞：卢瑟福实验
  三、球类比赛中的碰撞与引力弹弓
第三章  音乐中的物理知识
  一、高脚杯乐器
  二、音乐声学的初步知识
  三、弦乐器研究
  四、钢管琴
  五、声音的音色
  六、频谱
  七、谱图
  八、钢琴学人语
第四章  管道中的波
  一、管道中的声波
  二、汽车消音器
  三、管乐器的原理和圆号手的手
  四、波在同轴电缆中的反射
第五章  电磁现象直观化
  一、摩擦生电与电池里的电
  二、弱电与强电
  三、用电容器储存电荷
  四、光电二极管
  五、涡流阻尼
  六、温差电偶
  七、洛伦兹力
  八、霍尔效应器件
第六章  白光分解的不同机制
  一、棱镜折射
  二、彩虹
  三、全反射及其临界角的色散
  四、光栅的衍射与干涉现象
  五、薄膜上的干涉
  六、光弹性
第七章  从空谷回声到超声探测
  一、回声法测定声速
  二、医学超声检测的基本原理
  三、多普勒效应与彩超
第八章  完全抵消与非完全抵消
  一、斜面滚球
  二、偶极子
  三、橡皮筋弦的性质
  四、磁四极子在粒子加速器中的应用
  五、同轴电缆与双绞线电缆
第九章  小玩具中的大科学
  一、磁悬浮陀螺
  二、锅盖滚球
  三、液面上的液珠
  四、自流酒壶
  五、回旋陀螺
  六、翻转陀螺与熟鸡蛋
彩图

前言

  

    “我们上大学时没有学过这些呀？”也许，很多家长看了本书后会这样说。不过不要紧，你不必觉得自己没有学好普通物理，更不要觉得老师或教材不够理想。尽管本书中的内容所涉及的都是高中物理和普通物理中的知识，但历史上形成的课程大纲，为了照顾知识体系的严谨与循序渐进，以及受到课时的实际限制，有些内容或被忽略，或作选读，或一带而过，所以很多上过大学的人却没有或不记得学过本书中的某些内容是完全可以理解的。
    “我的孩子需要学习这些吗？”这个疑问是前一个问题的自然延伸。我们知道，后辈必须在整体知识水准上超过前辈，人类社会才会进步。现在知识的传播变得更加便捷，很多年轻学生比前辈在同样年龄时拥有的知识更丰富了。初级物理中一些传统的内容，很多学生可能早就读过，无法引起他们的兴趣，因此，有必要为新一代写一些教材上不一定有的内容，这就是笔者创作本书的初衷。
    “我的孩子能学会这些吗？”家长对自己不是很熟悉的知识产生类似疑问，这非常正常。笔者希望提醒家长的是，不要低估自己孩子的学习能力。同时。本书是围绕一系列实验展开的，有关知识不是通过死记硬背去学的，而是向自然现象学习，所以学起来并不费力。
    很多学生如同笔者一样，都是因为物理“好玩”而喜欢学习物理的。物理学的趣味，很大程度上来源于实验。本书中的很多实验，会用到智能手机（或平板电脑）作为实验仪器，用来测量物理量或记录实验数据。很多家长对孩子接触智能手机（或平板电脑）感到两难，既希望孩子接触现代科技产品，又忧心孩子沉迷于网络游戏，因而鼓励孩子用手机做科学实验，可以帮助家长找到一个适当的平衡点。可以说，一部小小的智能手机（或平板电脑）能够帮助我们理解经典物理学中的许多内容。
    观察和实验是自然科学家获得新知识的重要方式，我们现在从教材上学到的物理知识，大都是前人通过观察和实验从物理现象中得到的。直到现在，未经过实验证实的物理理论也仅仅是论家之言，经过实验证实的理论才能被广为接受。在学习物理知识的初级阶段，我们固然没有时间和条件做到用实验验证所有的物理定律，但是，向自然现象学习这样一种方法，是必须掌握的。
    要想学好物理，就要多做实验。除了课堂上、实验室里，很多实验在家也可以做。做实验既可以帮助学生学好物理，又能够提高学生的实际动手能力，从而学会基本的设计、估算、安全防护、工具使用、制作组装等各方面的技巧，是一种综合陛极强的素质训练。通过做实验来学习物理，可以将物理概念化繁为简，将抽象的定律变得直观可视，将碎片化的知识融会贯通。很多实验本身，还可以当作物理知识体系的记忆支点。
    本书中的很多实验是笔者原创的，设计时尽量避免与学校或科技馆现有的实验重复。我们介绍的知识仍然是从中学物理出发，但有些内容延伸到虚拟现实、电子学与计算机等新技术。实验中使用的器材，尽可能限定在通常家庭可以找到或购买到的物品。所有实验笔者都实际做成功过，在本书中尽可能提供做实验的关键技巧，以便读者少走弯路。
    笔者不奢望学生读一遍就能掌握本书中的全部内容，在高中期间，希望学生把书中介绍的各个家庭实验都尽量做一遍。其间我们期待学生能从一些与课堂课程不同的视角去看待物理现象。在高中我们会学到很多物理学知识，不过由于视角的限制，难免会有很多容易混淆的概念。不过有时只要我们换个视角，就会发现这些概念本来是分得清清楚楚的，并不需要专门靠背定义去分清它们。
    在这期间，希望每位有能力的家长都参与并帮助孩子完成这些家庭实验。一方面，这是为了学生的安全着想；另一方面，作为一个父亲，笔者想提醒每位家长，请珍惜你能和孩子一起做些共同感兴趣事情的宝贵时光。
    本书固然是写给初学物理的读者看的，但笔者仍然愿意与读者分享通过多年科研工作所获得的一些感悟，比如科学直觉的生成与更新、物理效应的完全抵消与非完全抵消等。有些概念对于我们认识世界极其重要，如傅里叶分析、正负反馈、非线性现象等，但我遇到的很多成年朋友从来都没有学过这些概念。在本书中，笔者希望通过一些简单的初等物理实验来介绍与普及这些概念，让这些概念从科学家的书斋中走出来，成为公众观察与认识世间万物的利器。
    笔者希望学生上大学时，能把本书带到大学中。随着普通物理课的学习。细心读懂本书中的相关内容。同时，在课程与本书所提供不同视角的基础上，通过上网查资料、参加学术研讨会等方法获取更多的视角，用这个方法把物理学的基础打好。
    很多老师或家长会有顾虑：现在学生很忙，哪里有时间花在这种看似玩耍的事情上？考试成绩下降怎么办？考不上理想的大学怎么办？其实素质教育与应试教育并不完全对立，通过有趣的方式把知识学好学透，就没有必要害怕考试。
    笔者将本书定位于对现有物理课程内容的补充与扩展，帮助学生从多种角度理解物理知识，但其并未达到足够的系统化程度，并不能完全替代现有课程中的物理实验。不过，物理教师在授课中，完全可以选用其中一些实验作为课程补充，用于课堂演示或实验课，抑或是家庭作业，以期分散难点，降低学生的理解难度，减少学生的记忆负担，从而整体提升学生的物理成绩。
    本书中介绍的一部分实验有一定的危险性，读者应提前做好事故防范预案，做好个人防护措施，在成年人监护下完成实验。切记：在任何情况下，绝对禁止单独从事任何有人身危险的活动，家长亦应切实负责保护孩子的安全。
    本书每章结尾附有物理实验现象集锦视频的二维码链接，每个视频时长约5分钟，包含与本章相关的若干实验，以供读者观看参考。
    吴进远
    2019年6月