用磁懸浮講摩擦力：學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)造 “反重力鞋”
“注意磁極！同名磁極才會(huì)排斥 —— 你把磁體裝反了，當(dāng)然浮不起來(lái)！”2027 年 10 月，某市第三中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室里，16 歲的李明正滿頭大汗地調(diào)整 “反重力鞋” 的鞋底磁體，旁邊的王佳拿著指南針，幫他確認(rèn)磁體極性。當(dāng)最后一塊釹鐵硼磁體固定好，李明穿著鞋站上特制的磁軌，輕輕一推，整個(gè)人竟沿著軌道滑出 1 米多遠(yuǎn)，鞋底與軌道之間沒(méi)有絲毫摩擦的滯澀感。“太神奇了！這就是老師說(shuō)的‘磁懸浮減摩’吧？” 教室里爆發(fā)出歡呼聲，這堂用磁懸浮講解摩擦力的物理課，讓原本抽象的力學(xué)知識(shí)變成了可觸摸、可創(chuàng)造的 “反重力體驗(yàn)”。
這堂創(chuàng)新課的誕生，源于物理教師張濤的 “教學(xué)困境”。在講解 “摩擦力” 單元時(shí)，他發(fā)現(xiàn)學(xué)生總能背出 “摩擦力與壓力、接觸面粗糙程度有關(guān)”，卻無(wú)法理解 “如何減少摩擦力”—— 有學(xué)生甚至認(rèn)為 “只要把接觸面磨得絕對(duì)光滑，就能消除摩擦”?！皞鹘y(tǒng)教學(xué)用‘滑塊在斜面滑動(dòng)’的實(shí)驗(yàn)，太靜態(tài)了，學(xué)生感受不到摩擦力的動(dòng)態(tài)變化?！?張濤說(shuō)，直到參觀科技展時(shí)看到磁懸浮列車(chē)模型，他突然想到：磁懸浮通過(guò) “同名磁極相互排斥” 讓列車(chē)與軌道分離，不正是 “減少摩擦力” 的絕佳案例嗎？如果讓學(xué)生親手制作 “反重力鞋”，用磁懸浮實(shí)現(xiàn) “鞋底不接觸地面”，就能直觀理解 “接觸面分離是減少摩擦的有效方式”。
課程設(shè)計(jì)前，張濤做了細(xì)致的準(zhǔn)備：一方面篩選安全且效果明顯的材料 —— 選用弱磁性釹鐵硼磁體（避免強(qiáng)磁傷手），鞋底框架用輕便的 3D 打印材料，磁軌則用鋁合金板鑲嵌磁體，確保懸浮高度控制在 5-8 毫米（既明顯又安全）；另一方面拆解教學(xué)目標(biāo)，將 “反重力鞋” 制作分為 “理論認(rèn)知 — 部件組裝 — 測(cè)試優(yōu)化” 三階段，每個(gè)階段都緊扣摩擦力知識(shí)點(diǎn)，避免淪為 “單純的手工課”。
第一階段是 “理論鋪墊”，張濤用磁懸浮列車(chē)的視頻引入：“為什么磁懸浮列車(chē)時(shí)速能超 300 公里？因?yàn)樗c軌道之間的摩擦力比普通列車(chē)小 90% 以上 —— 這就是‘接觸面分離’的魔力?！?他通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生直觀感受：一組是將滑塊直接放在桌面上滑動(dòng)，另一組是在滑塊下墊上磁體，讓滑塊懸浮在磁軌上滑動(dòng)，學(xué)生明顯發(fā)現(xiàn) “懸浮的滑塊推起來(lái)更省力，滑動(dòng)距離更遠(yuǎn)”。“原來(lái)減少摩擦不只是磨光滑接觸面，還能讓它們‘分開(kāi)’！” 李明在實(shí)驗(yàn)報(bào)告里寫(xiě)道，這顛覆了他之前對(duì)摩擦力的認(rèn)知。
第二階段的 “動(dòng)手組裝” 是課堂的核心，也是最考驗(yàn)學(xué)生的環(huán)節(jié)。每組學(xué)生領(lǐng)到的材料包包含：4 塊長(zhǎng)方形磁體、1 個(gè) 3D 打印鞋底框架、若干墊片和螺絲、1 個(gè)指南針（確認(rèn)磁極）。張濤強(qiáng)調(diào)兩個(gè)關(guān)鍵：一是磁極方向 ——“鞋底磁體和軌道磁體必須同名相對(duì)，才能產(chǎn)生排斥力實(shí)現(xiàn)懸浮”；二是磁體分布 ——“4 塊磁體要均勻固定在鞋底四角，否則會(huì)因受力不均導(dǎo)致傾斜”。
剛開(kāi)始，不少小組犯了 “低級(jí)錯(cuò)誤”：王佳小組把磁體極性裝反，鞋底一接觸軌道就被牢牢吸住，根本無(wú)法懸??；李明小組則因磁體間距太小，懸浮時(shí)鞋底左右搖晃，穩(wěn)定性極差?！皠e急，先想摩擦力的影響因素 —— 我們要的是‘減少摩擦’，但也需要‘可控的平衡’?！?張濤引導(dǎo)他們：用指南針重新標(biāo)注磁極，調(diào)整磁體位置，在鞋底邊緣加裝小墊片增加穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)半小時(shí)調(diào)試，王佳小組的 “反重力鞋” 終于成功懸浮，“推一下能滑好遠(yuǎn)，感覺(jué)腳底下沒(méi)有東西，像在滑冰但更輕！” 她興奮地說(shuō)。
第三階段的 “測(cè)試優(yōu)化”，讓學(xué)生對(duì)摩擦力的理解更深入。張濤設(shè)置了 “挑戰(zhàn)任務(wù)”：測(cè)量 “反重力鞋” 與普通運(yùn)動(dòng)鞋在磁軌上的滑動(dòng)距離、所需推力，對(duì)比兩者的摩擦系數(shù)。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：穿 “反重力鞋” 時(shí)，平均滑動(dòng)距離 1.2 米，所需推力僅 0.8 牛；而穿普通運(yùn)動(dòng)鞋時(shí)，滑動(dòng)距離僅 0.3 米，所需推力達(dá) 3.5 牛?！斑@說(shuō)明磁懸浮讓摩擦力大幅降低！” 李明小組還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在鞋底增加重量（比如綁上沙袋），懸浮高度會(huì)降低，滑動(dòng)距離也變短 —— 這正好印證了 “壓力越大，摩擦力越大” 的知識(shí)點(diǎn)?！霸瓉?lái)壓力不僅影響接觸摩擦，還會(huì)影響磁懸浮的減摩效果！” 學(xué)生們恍然大悟，紛紛在鞋底加裝可調(diào)節(jié)重量的裝置，優(yōu)化 “反重力鞋” 的性能。
這堂物理課的效果遠(yuǎn)超預(yù)期。課后測(cè)試顯示，學(xué)生對(duì) “摩擦力影響因素”“磁懸浮減摩原理” 的掌握率從課前的 52% 提升至 91%；更重要的是，學(xué)生的創(chuàng)新熱情被激發(fā) —— 有小組在 “反重力鞋” 鞋底加裝滾輪，結(jié)合磁懸浮和滾動(dòng)摩擦，進(jìn)一步減少阻力；還有學(xué)生提出 “把磁軌改成環(huán)形，做‘反重力滑冰場(chǎng)’”。張濤將優(yōu)秀作品推薦參加市級(jí)青少年科技創(chuàng)新大賽，李明小組的 “可調(diào)節(jié)磁懸浮反重力鞋” 還獲得了二等獎(jiǎng)。“以前覺(jué)得物理就是做題，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)能自己做東西，還能用知識(shí)解決問(wèn)題，特別有成就感！” 李明說(shuō)。
課程推廣中，也有人擔(dān)心 “磁體安全”“材料成本” 問(wèn)題。對(duì)此，學(xué)校采取了針對(duì)性措施：選用磁場(chǎng)強(qiáng)度≤500 高斯的弱磁體（對(duì)人體無(wú)害），所有磁體邊緣做圓角處理，避免劃傷；與本地 3D 打印企業(yè)合作，批量定制鞋底框架，降低材料成本，確保每位學(xué)生都能參與制作。“安全是前提，我們會(huì)全程監(jiān)督學(xué)生操作，確保實(shí)驗(yàn)安全。” 張濤說(shuō)，目前這門(mén) “磁懸浮與摩擦力” 實(shí)踐課已成為學(xué)校的特色課程，還吸引了周邊學(xué)校前來(lái)觀摩學(xué)習(xí)。
當(dāng)學(xué)生們穿著自己制作的 “反重力鞋” 在磁軌上輕盈滑動(dòng)，臉上洋溢著興奮的笑容時(shí)，這堂物理課的意義已然超越了 “學(xué)會(huì)摩擦力知識(shí)” 本身。它讓學(xué)生明白：科學(xué)不是課本上的抽象公式，而是能動(dòng)手實(shí)踐、解決問(wèn)題的工具；摩擦力也不是看不見(jiàn)摸不著的概念，而是能通過(guò)磁懸浮技術(shù) “感受” 到、“控制” 住的物理現(xiàn)象。正如張濤在課程總結(jié)時(shí)所說(shuō)：“最好的物理教學(xué)，不是讓學(xué)生記住‘摩擦力是什么’，而是讓他們知道‘如何利用摩擦力’—— 當(dāng)學(xué)生能親手造出‘反重力鞋’，他們對(duì)科學(xué)的理解，就已經(jīng)從‘知道’變成了‘會(huì)用’。”
未來(lái)，張濤計(jì)劃進(jìn)一步拓展課程內(nèi)容：結(jié)合磁懸浮技術(shù)講解 “電磁感應(yīng)”，讓學(xué)生嘗試改進(jìn) “反重力鞋” 的動(dòng)力系統(tǒng)；或者與體育老師合作，研究 “反重力鞋” 對(duì)運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的影響。這種 “從知識(shí)到實(shí)踐，從實(shí)踐到創(chuàng)新” 的教學(xué)模式，或許正是激發(fā)青少年科學(xué)興趣的最佳路徑 —— 當(dāng)抽象的物理知識(shí)變成腳下的 “反重力鞋”，當(dāng)課堂變成充滿創(chuàng)造力的實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)學(xué)生都能在探索中發(fā)現(xiàn)科學(xué)的樂(lè)趣，在實(shí)踐中收獲成長(zhǎng)的力量。
