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超导材料没那么玄:一位物理老师聊怎么跟孩子讲清楚它

上周三下午第二节,我把一小块黑乎乎的陶瓷片丢进保温杯。杯子里是液氮,白雾腾地窜起来,前排女生往后缩了一下。

后排那个平时总趴着睡觉的男生把头抬起来了:「老师,这是磁铁?」

它不吸铁。我用镊子把它夹出来,搁在一块钕磁铁上方。黑片片悬在那儿,不动,也不掉。教室安静了大概三秒,然后炸了锅。

我说,这东西叫超导材料。它身上最不讲道理的一点,是电阻等于零。

别一上来就说「零电阻」,这个数字会把孩子噎住

很多科普段落第一句就是「电阻为零」。孩子听完点点头,其实什么也没接收到。零?零跟他有什么关系。

我一般反着问:家里的插排线用久了为什么会发烫?

因为电子在里面跑,跑的时候一路磕磕碰碰,撞出来的东西就是热。这就是电阻的日常面目。顺手还能提一句,输电线上的损耗,全国加起来是个不小的数字,不过这个先放一放。

然后我再告诉他,超导材料里的那条走廊,桌椅板凳被人搬空了。电子跑起来不撞了。

这里有个坑,我自己踩过。有学生举手说,那是不是因为电子跑得特别快?不是。是路变干净了,跟速度没关系。这个问题必须掰开说,不然孩子会带着一个错误图像走出教室,而且能带着好几年。

再往下就是那个低温门槛。

1911年,昂内斯把水银降温到4.2开尔文附近,电阻突然掉到测不出来。注意,是「突然掉下去」,不是慢慢变小。这个细节比数字有意思得多。当时的温度是零下两百六十多度,需要用液氦,那东西贵,也难伺候。

到了1986年之后,铜氧化物那批材料把门槛抬到了液氮能覆盖的区间,零下196度左右。液氮什么价格?一升几块钱,中学实验室都能弄到一小罐。这一下,超导材料就从物理系的黑板走到了工程现场。

液氮冷却超导磁悬浮演示实验课堂照片
液氮冷却超导磁悬浮演示实验课堂照片

我给学生放过一段视频,是磁悬浮演示,一块超导片带着小磁铁沿着环形轨道转圈,转了很久很久。有个女生小声说,它不累吗。

它确实不累。这个画面比讲十遍公式管用。

医院机房那台嗡嗡响的机器,才是超导材料最日常的样子

医院机房那台嗡嗡响的机器,才是超导材料最日常的样子
医院机房那台嗡嗡响的机器,才是超导材料最日常的样子

家长带孩子去医院做核磁共振的时候,孩子多半是紧张的。那个大圆筒,声音又大。

其实可以跟孩子这么说:这台机器里有一大圈线圈,工作温度在零下两百多度,靠的就是超导材料。磁场强度1.5特斯拉,大医院还有3.0的。要是用普通铜线,达到这个磁场,电费和维护成本都撑不住。

孩子对「零下两百多度」没概念,但对「机器里有个比南极还冷的地方」有概念。

还有电网、粒子加速器、将来的磁悬浮列车。我得提醒一句,别一口气全倒给孩子。挑一个讲透,比铺五六个例子强。铺得越多,他记住的越少,这是我教了十多年书慢慢才认下来的事。

家长问「学这个有用吗」,我一般不直接回答

家长问「学这个有用吗」,我一般不直接回答
家长问「学这个有用吗」,我一般不直接回答

这个问题我听过太多次了。问的时候,家长通常已经预设了答案——没用,或者,别的小孩都在学别的。

我会先反问他一句:你觉得孩子问「为什么它能飘起来」的时候,脑子里在干什么?

他在做一件挺了不起的事。他在试图给一个反常的现象找一个能自洽的解释,这个过程本身就是理科思维的地基。

话说回来,我也不想给超导材料戴高帽子。「未来材料」「改变世界」,这类话学生听腻了,跟我们小时候听的「21世纪是生物学的世纪」一个味道。二十多年过去了,学生物的同学现在在做什么,大家心里都有数。

所以我一般只说两件事。

一,这是个还没做完的领域,室温超导到现在还是悬案,每隔几年就有人宣称做出来了,然后被同行挑出毛病。这种「还没定论」的状态,对孩子来说反而是好事,他知道科学不是一本印好的答案册。

二,这事儿跟考不考得上重点高中没直接关系。但它能治一种病——看到现象只会背结论,不会追问。这种病在中考物理里也是要扣分的。

课堂上我踩过的两个坑

第一个坑,把超导材料说成「完美导体」。

它一点都不完美。它有三条命门:临界温度、临界磁场、临界电流密度。三个条件同时满足,它才超导;任何一个超了,它立刻变回普通导体,而且是很难看地变回去。

我把这三条说成「三座大山」压在它身上。学生立刻就懂了——不是它厉害得没边,是它娇气。这个说法我用了好几年,效果一直不错。

第二个坑,拿磁铁悬浮当唯一的证据。

超导的抗磁性(迈斯纳效应)确实会让磁铁飘起来,很震撼,学生一看就服。但问题在于,普通的抗磁材料,比如一片石墨,也能微弱地排斥磁铁,只是那个力小到你几乎看不出来。

如果不讲这一层,学生就会把「会飘」和「超导」划等号,等哪天在地摊上看到一块「超导悬浮玩具」,他会深信不疑。

我一般会补一个对照演示:石墨片放在磁铁上,纹丝不动。超导片放在同一块磁铁上,稳稳悬空。差别摆在那儿,不用多说。

超导材料与普通抗磁材料磁悬浮课堂对比演示
超导材料与普通抗磁材料磁悬浮课堂对比演示

想让孩子真弄明白,可以试这几个小动作

想让孩子真弄明白,可以试这几个小动作
想让孩子真弄明白,可以试这几个小动作

一是让他回家翻一翻,找找家里哪些电器里可能有超导材料。

答案大概率是——没有。除非家里有核磁共振,那不可能。这个「一无所获」的结论本身很有价值:一项技术再先进,从实验室走进客厅也要花很长时间。孩子第一次意识到,前沿和日常之间是有距离的,而且这个距离通常以十年计。

二是让他拿一块磁铁和一枚硬币做对比实验,再换成铝片。铝片能动吗?几乎不动。为什么?这种「实验失败」的经历,比顺利得出结果更让人记住东西。

三是写一段小作文,题目就一句话:如果电阻真的变成零,世界会怎么样。

这里要提前打个招呼,不然孩子一定会写成科幻爽文。零电阻不等于没有能量瓶颈,因为还有临界电流在卡着。一根超导线通过电流过载的那一瞬间,它会突然发热,甚至烧断。制伏了一个难点,会冒出另一个,这种事在物理里太常见了。

家长带孩子去科技馆,如果碰上磁悬浮展项,可以让孩子去问工作人员一句:这块片片是高温超导还是低温超导?

十有八九,工作人员会愣一下,然后笑着说这个我还真不清楚。

孩子会记住这一幕。真实的世界里,很多答案就是悬着的。这跟我们习惯了的那套「标准答案—核对—得分」的流程完全不一样,说实话,我现在越来越觉得,这个落差才是理科教育里最该被补上的一块。

那节课下课后,那块黑片片被学生围了十分钟。有人问我它能不能导电炒菜,有人问我能不能做电池。有个男孩一直没走,等到最后才问:老师,什么时候能有不用液氮也能超导的材料?

我说,不知道。

他哦了一声,背着书包走了。走到门口又回头说了一句,那我以后试试。

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