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天宫课堂下课了?别走,幕后老师的最全辅导来了

时间:2022-10-13来源:机械公民点击量:212

10月12日下午,中国空间站“天宫课堂”第三讲在全国乃至全球青少年和科学爱好者的期待中开讲。神舟十四号乘组的三位航天员分工协作,带领大家了解了“问天”这个科学实验新舱段的环境和功能,展示了他们在太空中执行科学实验任务的过程,当然也少不了天地大不同的趣味科学实验。


天宫课堂首次在问天实验舱开讲

我们来解读一下本次授课的毛细效应实验、水球变“懒”实验、太空趣味饮水实验和“会掉头的扳手”实验背后的原理。

毛细效应实验

毛细效应的产生源于固体管壁表面分子与液体分子之间的相互作用。如果液体的表面张力不特别大,而固体表面对液体分子的吸引力又较强,那么液体分子就比较容易被固体表面吸附。宏观表现出来就是当把液体滴在固体表面时会铺展开来,形成一个扁的球冠。此时液体-气体界面和液体-固体界面的夹角(接触角)小于90°,这种情况称为“浸润”。反之如果液体分子感受的表面张力比固体表面的吸附力量大很多,那么滴在固体上的液体就会在表面张力作用下趋向形成一个球缺,液体-气体界面和液体-固体界面的夹角(接触角)大于90°,这种情况称为“不浸润”。


a 浸润示意图


b 不浸润示意图

当把一根与液体浸润的管子插入液面时,由于与管壁接触的一圈液体分子受到了被管壁向上拉的力,管中的液体会出现上升,当向上的力量与液柱受到的重力匹敌时,液面就不再上升。当管子粗细发生变化时,管壁对液面的压力正比于半径变化,而一定高度液柱受到的重力则正比于半径平方变化,因此在重力效应明显的地面上,越细的管子里液面上升得越快越高。但在微重力环境的空间中,由于没有重力的影响,不论粗细,毛细现象都能让液体填满整个管子。反之如果把不浸润的管子放进液体里,液面会由于液体表面张力的作用而下降,在空间站这样微重力的环境中,无论管子插多深,液体都很难进入管内。


毛细现象让液体填满了管子

毛细效应是生活中十分常见的现象,医院里采指尖血用的那根细细的玻璃管就是利用毛细效应把血液吸进管中的。把纸巾的一角放入水中,稍后会发现整张纸巾都会变湿,土壤中的缝隙把深处的地下水吸到浅表处都是源于毛细效应,植物根系吸收的水分通过微管输送到高处也和毛细效应有关。

太空趣味饮水实验

太空趣味饮水的实验与毛细管有一定关联。在空间站微重力环境下,我们看到航天员轻松用嘴一吸,形成的负压就让水毫无阻碍地通过2米长的吸管进入嘴里。其实如果不着急的话,靠吸管的毛细效应就可以把水直接送到嘴边。


航天员刘洋用2米长的吸管成功喝到了芒果汁

我们在地面上用长吸管喝水时就没有这么轻松了。如果仅靠肺吸气,大多数人只能制造约0.1大气压的负压,也就能让水被吸到约1米的垂直高度。一般家用真空吸尘器能制造约0.2大气压的负压,也只能把水吸起2米高。笔者曾闭住喉咙用腮帮子使劲“嘬”,让液面达到过约4米的高度,但实验后腮帮子酸了好几天,而且实验过程中如果不闭住喉咙,较大的负压很容易让肺部受伤,大家千万不要轻易尝试。动画片里从楼上伸一根吸管偷喝楼下杯子里饮料的情节现实中是很难做到的。

水球变“懒”实验

“变‘懒’的水球”和“会掉头的扳手”,这两个实验的现象很简单也很有趣,但原理却十分复杂。


同样受到空气的冲击,加入钢球的水球振动放缓了

“变‘懒’的水球”涉及液体流动的动力学机制,固体的加入改变了边界条件,抑制了原本水球在冲击下产生的剧烈振动。古人挑水时在水桶中放一片树叶,改变表面波形成的条件,从而使水不容易形成剧烈波浪而飞溅的经验,其道理与水球变“懒”有异曲同工之妙。

会掉头的扳手

“会掉头的扳手”则涉及在几个转动惯量不同的轴上旋转的稳定性问题。一个旋转的刚体其转动惯量最大和最小轴能保持较为稳定的转动,而绕其转动惯量居中的轴旋转时稳定性较低。


在旋转中不断掉头的扳手

这个现象可以通过让一个网球拍旋转着抛向空中,或是让一个蝴蝶型螺母旋转着落地来复现,不过过程非常短促,可能需要手机高速摄像的功能来帮助我们观察现象。

此外,航天员在太空中收集拟南芥、水稻样品的操作过程,也是本次太空授课的重头。其实早在9月9日,由中国载人航天办公室指导,中国科学院科学传播局、教育部基础教育司共同主办的“天地共播一粒种”——青少年与航天员一起种植物科普活动已经在为本次天宫课堂做准备。地面上的同学也拿到了和空间站中一样的植物种子,他们在地面上种植并观察它们的成长,并和在空间站中生长的植物对比,让“天宫课堂”有了更丰富的课前、课后内容,形成了更立体、更系统的“大课堂”。


笔者很荣幸有机会与从事科学、技术、工程、教育等多个领域的专家一起参与了三次“天宫课堂”的策划、研讨、准备、审核等工作。如果把神舟十三号乘组在核心舱进行的第一讲看作中国空间站“新教室揭幕”的话,第二讲看作对空间科学实验室的进一步认识,那么本次神舟十四号乘组的第三讲,地面上的同学有了一定的参与。未来广大青少年一定还有更多参与的机会,让“天宫课堂”成为具有未来科学家潜质的青少年科学梦启航的地方。

天宫课堂复习专场:

第一课 | “天宫课堂”刚结束,趁热的,太空授课科普专家组成员为你复盘!

第二课 | 今天王亚平做的“冰雪”实验,设想来自两名中学生

作者:陈征 北京交通大学物理科学与工程学院副教授、太空授课科普专家组成员

编辑:陈晓晴
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天宫课堂下课了?别走,幕后老师的最全辅导来了

时间:2022-10-13来源:机械公民

10月12日下午,中国空间站“天宫课堂”第三讲在全国乃至全球青少年和科学爱好者的期待中开讲。神舟十四号乘组的三位航天员分工协作,带领大家了解了“问天”这个科学实验新舱段的环境和功能,展示了他们在太空中执行科学实验任务的过程,当然也少不了天地大不同的趣味科学实验。


天宫课堂首次在问天实验舱开讲

我们来解读一下本次授课的毛细效应实验、水球变“懒”实验、太空趣味饮水实验和“会掉头的扳手”实验背后的原理。

毛细效应实验

毛细效应的产生源于固体管壁表面分子与液体分子之间的相互作用。如果液体的表面张力不特别大,而固体表面对液体分子的吸引力又较强,那么液体分子就比较容易被固体表面吸附。宏观表现出来就是当把液体滴在固体表面时会铺展开来,形成一个扁的球冠。此时液体-气体界面和液体-固体界面的夹角(接触角)小于90°,这种情况称为“浸润”。反之如果液体分子感受的表面张力比固体表面的吸附力量大很多,那么滴在固体上的液体就会在表面张力作用下趋向形成一个球缺,液体-气体界面和液体-固体界面的夹角(接触角)大于90°,这种情况称为“不浸润”。


a 浸润示意图


b 不浸润示意图

当把一根与液体浸润的管子插入液面时,由于与管壁接触的一圈液体分子受到了被管壁向上拉的力,管中的液体会出现上升,当向上的力量与液柱受到的重力匹敌时,液面就不再上升。当管子粗细发生变化时,管壁对液面的压力正比于半径变化,而一定高度液柱受到的重力则正比于半径平方变化,因此在重力效应明显的地面上,越细的管子里液面上升得越快越高。但在微重力环境的空间中,由于没有重力的影响,不论粗细,毛细现象都能让液体填满整个管子。反之如果把不浸润的管子放进液体里,液面会由于液体表面张力的作用而下降,在空间站这样微重力的环境中,无论管子插多深,液体都很难进入管内。


毛细现象让液体填满了管子

毛细效应是生活中十分常见的现象,医院里采指尖血用的那根细细的玻璃管就是利用毛细效应把血液吸进管中的。把纸巾的一角放入水中,稍后会发现整张纸巾都会变湿,土壤中的缝隙把深处的地下水吸到浅表处都是源于毛细效应,植物根系吸收的水分通过微管输送到高处也和毛细效应有关。

太空趣味饮水实验

太空趣味饮水的实验与毛细管有一定关联。在空间站微重力环境下,我们看到航天员轻松用嘴一吸,形成的负压就让水毫无阻碍地通过2米长的吸管进入嘴里。其实如果不着急的话,靠吸管的毛细效应就可以把水直接送到嘴边。


航天员刘洋用2米长的吸管成功喝到了芒果汁

我们在地面上用长吸管喝水时就没有这么轻松了。如果仅靠肺吸气,大多数人只能制造约0.1大气压的负压,也就能让水被吸到约1米的垂直高度。一般家用真空吸尘器能制造约0.2大气压的负压,也只能把水吸起2米高。笔者曾闭住喉咙用腮帮子使劲“嘬”,让液面达到过约4米的高度,但实验后腮帮子酸了好几天,而且实验过程中如果不闭住喉咙,较大的负压很容易让肺部受伤,大家千万不要轻易尝试。动画片里从楼上伸一根吸管偷喝楼下杯子里饮料的情节现实中是很难做到的。

水球变“懒”实验

“变‘懒’的水球”和“会掉头的扳手”,这两个实验的现象很简单也很有趣,但原理却十分复杂。


同样受到空气的冲击,加入钢球的水球振动放缓了

“变‘懒’的水球”涉及液体流动的动力学机制,固体的加入改变了边界条件,抑制了原本水球在冲击下产生的剧烈振动。古人挑水时在水桶中放一片树叶,改变表面波形成的条件,从而使水不容易形成剧烈波浪而飞溅的经验,其道理与水球变“懒”有异曲同工之妙。

会掉头的扳手

“会掉头的扳手”则涉及在几个转动惯量不同的轴上旋转的稳定性问题。一个旋转的刚体其转动惯量最大和最小轴能保持较为稳定的转动,而绕其转动惯量居中的轴旋转时稳定性较低。


在旋转中不断掉头的扳手

这个现象可以通过让一个网球拍旋转着抛向空中,或是让一个蝴蝶型螺母旋转着落地来复现,不过过程非常短促,可能需要手机高速摄像的功能来帮助我们观察现象。

此外,航天员在太空中收集拟南芥、水稻样品的操作过程,也是本次太空授课的重头。其实早在9月9日,由中国载人航天办公室指导,中国科学院科学传播局、教育部基础教育司共同主办的“天地共播一粒种”——青少年与航天员一起种植物科普活动已经在为本次天宫课堂做准备。地面上的同学也拿到了和空间站中一样的植物种子,他们在地面上种植并观察它们的成长,并和在空间站中生长的植物对比,让“天宫课堂”有了更丰富的课前、课后内容,形成了更立体、更系统的“大课堂”。


笔者很荣幸有机会与从事科学、技术、工程、教育等多个领域的专家一起参与了三次“天宫课堂”的策划、研讨、准备、审核等工作。如果把神舟十三号乘组在核心舱进行的第一讲看作中国空间站“新教室揭幕”的话,第二讲看作对空间科学实验室的进一步认识,那么本次神舟十四号乘组的第三讲,地面上的同学有了一定的参与。未来广大青少年一定还有更多参与的机会,让“天宫课堂”成为具有未来科学家潜质的青少年科学梦启航的地方。

天宫课堂复习专场:

第一课 | “天宫课堂”刚结束,趁热的,太空授课科普专家组成员为你复盘!

第二课 | 今天王亚平做的“冰雪”实验,设想来自两名中学生

作者:陈征 北京交通大学物理科学与工程学院副教授、太空授课科普专家组成员

编辑:陈晓晴

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