科學(xué)有魅力!天宮課堂里的實(shí)驗(yàn) 你想復(fù)習(xí)一遍嗎
科學(xué)有魅力!太空“網(wǎng)課”再開講
天宮課堂里的實(shí)驗(yàn)
你想復(fù)習(xí)一遍嗎
12月9日,同學(xué)們迎來了期待已久的太空授課。神舟十三號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在空間站進(jìn)行太空授課。時(shí)隔8年,大家有幸再一次看到航天員的太空“網(wǎng)課”,體驗(yàn)到科學(xué)的無限魅力。
在這次的太空課中,王亞平再現(xiàn)了經(jīng)典場(chǎng)面:永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)的陀螺和漂在空中的水球。當(dāng)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(chǎn)生大量的氣泡……
那么,這些太空中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后都是什么科學(xué)原理呢?本期我們邀請(qǐng)杭二中物理老師王愷來為大家解讀。
太空轉(zhuǎn)身,為啥轉(zhuǎn)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(zhuǎn)身時(shí)卻怎么都轉(zhuǎn)不過來,這讓很多同學(xué)捧腹大笑。
大家肯定很納悶,平時(shí)在地面上非常容易的走路和轉(zhuǎn)身,為何到了太空里竟然那么艱難?尤其是轉(zhuǎn)身的動(dòng)作,葉光富“失敗”了好幾次,而且每次他扭轉(zhuǎn)上身,下身就會(huì)不由自主往另一個(gè)方向扭過去,這又是為何?
王愷說,我們?cè)诘厍蛏现阅茌p松前進(jìn)和轉(zhuǎn)身,是因?yàn)榈孛嬗心Σ亮?。而失重狀態(tài)下飄浮在空中的航天員沒有了摩擦力的幫助,轉(zhuǎn)動(dòng)身體自然就變得很困難。因?yàn)榇藭r(shí),航天員的角動(dòng)量守恒,所以當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)動(dòng),下半身就會(huì)向右轉(zhuǎn)。
不過,航天員可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)手臂使身體轉(zhuǎn)動(dòng),這是因?yàn)檎w的角動(dòng)量守恒。
在我們的生活中,角動(dòng)量守恒也有很多體現(xiàn)。
比如,大家是否注意過,一架普通的單旋翼直升機(jī)的尾部,都有一個(gè)側(cè)向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。如果沒有這個(gè)螺旋槳,主機(jī)翼高速轉(zhuǎn)動(dòng)就如同航天員轉(zhuǎn)動(dòng)的手臂,會(huì)使得直升機(jī)主體反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而尾翼螺旋槳?jiǎng)t可以對(duì)直升機(jī)產(chǎn)生等大反向的作用,從而保持直升機(jī)具有穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。
乒乓球?yàn)楹翁硬怀觥八摹?/strong>
在我們生活的地球上,一只乒乓球放入水中會(huì)很自然地浮起來。如果同學(xué)們會(huì)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(gè)蛋黃一樣安靜地呆在水里,完全不會(huì)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(chǎn)生的原因就是因?yàn)橛兄亓Γ敲丛谔罩?,處于失重狀態(tài)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(huì)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(huán)境下,表面張力可以維持液體的形狀,不會(huì)散開,并且趨向于球形。這是因?yàn)?,相同的體積下,球體表面積是最小的。
所以,在王亞平做的實(shí)驗(yàn)中,那個(gè)還沒有形成正球體的水泡逐漸變得越來越圓。當(dāng)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?yàn)樗砻嫣厥獾牟馁|(zhì)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(dòng)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(huán)境下由于表面張力的作用保持形態(tài),并且由于其折射率和空氣不同,從而使得光線在穿過時(shí)產(chǎn)生折射,形成匯聚效果,這就形成了一個(gè)凸透鏡。
兩倍焦距以外的物體在穿過凸透鏡后看來就呈現(xiàn)倒立的像,所以我們可以看到,王亞平和葉光富之間的那個(gè)水球,會(huì)讓眼中的彼此呈現(xiàn)一正一倒的視覺效果。
其實(shí),我們可以在地面上用透明的水瓶裝滿水模擬這個(gè)實(shí)驗(yàn):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(shí)驗(yàn)有很高的操作難度。由于失重,空氣球不會(huì)因?yàn)槭艿礁×Χ苿?dòng)。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(dāng)于形成了兩片凹透鏡,使得光線穿過時(shí)發(fā)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(xiàn)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(xué)們能夠很容易自己開展實(shí)驗(yàn)。這次太空實(shí)驗(yàn)中,泡騰片在水中溶解后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?xì)馀?,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(wǎng)課”的直播后,記者還收到了兩位同學(xué)提出的問題:在無重力的情況下,泡騰片扔進(jìn)水里會(huì)不會(huì)又自己漂出來了?在無大氣壓強(qiáng)的環(huán)境中,泡騰片的氣泡還會(huì)升上水面破裂嗎?
對(duì)此,王愷老師說,泡騰片扔進(jìn)水里在初速度不快的情況下是不會(huì)漂出來的,這也是液體表面張力的結(jié)果,“可以看到視頻中裝在杯子里的水不會(huì)散得到處都是,也是這個(gè)原因?!?/p>
因?yàn)樵跊]有重力的情況下,泡騰片的氣泡不會(huì)升上水面;但是如果沒有大氣壓強(qiáng),處于真空狀態(tài),水會(huì)直接沸騰變成水蒸氣,“液體的沸點(diǎn)是和氣壓有關(guān)的,氣壓越低,沸點(diǎn)越低。這就是為什么高原地區(qū)很難煮熟飯,有時(shí)需要使用高壓鍋來烹飪?!?/p>
在看“天宮課堂”時(shí),同學(xué)們可能注意到了,空間站里的航天員們看上去都“圓潤(rùn)”了不少,這是為什么?原來,失重環(huán)境會(huì)導(dǎo)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(shí)一樣。所以,航天員就會(huì)顯得“圓潤(rùn)”了些。
記者 鄭琳
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