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        科學有魅力!天宮課堂里的實驗 你想復習一遍嗎

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        科學有魅力!天宮課堂里的實驗 你想復習一遍嗎

        2021年12月11日 08:50 來源:錢江晚報參與互動參與互動

          科學有魅力!太空“網課”再開講

          天宮課堂里的實驗

          你想復習一遍嗎

          12月9日,同學們迎來了期待已久的太空授課。神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在空間站進行太空授課。時隔8年,大家有幸再一次看到航天員的太空“網課”,體驗到科學的無限魅力。

          在這次的太空課中,王亞平再現了經典場面:永遠旋轉的陀螺和漂在空中的水球。當然,我們也看到了更多的神奇畫面:乒乓球在水中的浮力消失,紙花在水球表面綻放,泡騰片在水球中產生大量的氣泡……

          那么,這些太空中的實驗現象背后都是什么科學原理呢?本期我們邀請杭二中物理老師王愷來為大家解讀。

          太空轉身,為啥轉不過來

          在“天宮課堂”上,航天員葉光富在太空中表演了如何行走,但在轉身時卻怎么都轉不過來,這讓很多同學捧腹大笑。

          大家肯定很納悶,平時在地面上非常容易的走路和轉身,為何到了太空里竟然那么艱難?尤其是轉身的動作,葉光富“失敗”了好幾次,而且每次他扭轉上身,下身就會不由自主往另一個方向扭過去,這又是為何?

          王愷說,我們在地球上之所以能輕松前進和轉身,是因為地面有摩擦力。而失重狀態下飄浮在空中的航天員沒有了摩擦力的幫助,轉動身體自然就變得很困難。因為此時,航天員的角動量守恒,所以當上半身向左轉動,下半身就會向右轉。

          不過,航天員可以通過轉動手臂使身體轉動,這是因為整體的角動量守恒。

          在我們的生活中,角動量守恒也有很多體現。

          比如,大家是否注意過,一架普通的單旋翼直升機的尾部,都有一個側向旋轉的螺旋槳。如果沒有這個螺旋槳,主機翼高速轉動就如同航天員轉動的手臂,會使得直升機主體反方向轉動。而尾翼螺旋槳則可以對直升機產生等大反向的作用,從而保持直升機具有穩定的飛行姿態。

          乒乓球為何逃不出“水心”

          在我們生活的地球上,一只乒乓球放入水中會很自然地浮起來。如果同學們會游泳,在水中也能明顯感覺到水給我們身體的浮力。

          但是,液體浮力在太空中卻消失了。這次太空課里,王亞平給我們演示了乒乓球像一個蛋黃一樣安靜地呆在水里,完全不會浮起來。

          為什么太空里沒有浮力了呢?原來,處在液體中的物體所受浮力的來源是上下表面的壓力差。液體深度越大,壓力就越大,它的根本原因是液體受到重力作用。下部的液體需要給上部液體提供支持力,才能平衡上部液體的重力。

          既然浮力產生的原因就是因為有重力,那么在太空中,處于失重狀態下的液體自然就沒有浮力了。

          水膜是怎么讓紙花綻放的

          在“天宮課堂”上,王亞平還用一朵女兒做的紙花,給大家展示了神奇的水膜張力——紙花在水球的表面綻放了!

          液體會有減小表面積的傾向,這種作用力被稱為“表面張力”。在失重環境下,表面張力可以維持液體的形狀,不會散開,并且趨向于球形。這是因為,相同的體積下,球體表面積是最小的。

          所以,在王亞平做的實驗中,那個還沒有形成正球體的水泡逐漸變得越來越圓。當我們把一朵紙花貼在水面上, 它就隨著鼓起來的水球慢慢“綻放”了。

          在生活中也可以在一種叫“超疏水”的表面上觀察到球形的水滴。

          比如,荷葉表面就是超疏水表面。荷葉能“出淤泥而不染”,正是因為它表面特殊的材質使得水滴在上面接近球形,并且很容易滾落。還有一種能在水上快速移動的小蟲,叫水黽,它們能“水上飄”,也是利用液體的表面張力。

          透過水球,人怎么就倒過來了

          水球在失重環境下由于表面張力的作用保持形態,并且由于其折射率和空氣不同,從而使得光線在穿過時產生折射,形成匯聚效果,這就形成了一個凸透鏡。

          兩倍焦距以外的物體在穿過凸透鏡后看來就呈現倒立的像,所以我們可以看到,王亞平和葉光富之間的那個水球,會讓眼中的彼此呈現一正一倒的視覺效果。

          其實,我們可以在地面上用透明的水瓶裝滿水模擬這個實驗:在一定距離外,透過水瓶所看到的世界是顛倒的。

          在水球中注入空氣球形成“雙重人像”的實驗有很高的操作難度。由于失重,空氣球不會因為受到浮力而移動。在注入空氣球后,由于空氣球的半徑更小,水球的半徑更大。若透過水球中的空氣球觀察物體,空氣球前后的水相當于形成了兩片凹透鏡,使得光線穿過時發散,從而可以觀察到正立、縮小的物體。在一定距離外,透過近視眼鏡片也可以觀察到類似的現象。

          泡騰片的泡泡竟然沒“亂跑”

          泡騰片是生活中常見的物品,同學們能夠很容易自己開展實驗。這次太空實驗中,泡騰片在水中溶解后發生化學反應產生二氧化碳氣泡,但由于失重,大部分的氣泡停留在液體球中,只有極少部分的小氣泡由于速度較快脫離水球,并且釋放出香味。

          看完這堂“網課”的直播后,記者還收到了兩位同學提出的問題:在無重力的情況下,泡騰片扔進水里會不會又自己漂出來了?在無大氣壓強的環境中,泡騰片的氣泡還會升上水面破裂嗎?

          對此,王愷老師說,泡騰片扔進水里在初速度不快的情況下是不會漂出來的,這也是液體表面張力的結果,“可以看到視頻中裝在杯子里的水不會散得到處都是,也是這個原因。”

          因為在沒有重力的情況下,泡騰片的氣泡不會升上水面;但是如果沒有大氣壓強,處于真空狀態,水會直接沸騰變成水蒸氣,“液體的沸點是和氣壓有關的,氣壓越低,沸點越低。這就是為什么高原地區很難煮熟飯,有時需要使用高壓鍋來烹飪。”

          在看“天宮課堂”時,同學們可能注意到了,空間站里的航天員們看上去都“圓潤”了不少,這是為什么?原來,失重環境會導致航天員的血液分布和地面不同,下肢的血液上涌,就像是倒立時一樣。所以,航天員就會顯得“圓潤”了些。

          記者 鄭琳

        【編輯:黃鈺涵】
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