“天宮課堂”神奇實驗背後的奧秘

2022年03月28日06:21

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對地球上的孩子們來說,承載著無限夢想的星辰大海浩瀚無邊,也很遙遠。但翟誌剛、王亞平、葉光富老師的聲音和麵孔,卻格外清晰和親切。從某種意義上說,三位“太空教師”的形象就是他們心中夢想的樣子。

3月23日,“天宮課堂”在中國空間站再次開講,太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗又一次喚醒大家對太空的奇思妙想。彷彿開啟一扇門,“天宮課堂”再次將孩子的想像力和星辰大海之夢打通,太空探索繼續遠航。

冰墩墩在太空走了直線

忙完冬奧會之後,“頂流”冰墩墩又在空間站“加班”。太空拋物實驗演示了天地之間拋物區別。王亞平手拿冰墩墩拋出,如果是在地面,冰墩墩一定會下墜,但在“天宮課堂”,正如王亞平所說:“冰墩墩並沒有像在地面一樣下墜,而是沿著直線近似勻速前進。這和牛頓第一定律描述的現象相同。”

太空授課地面主課堂老師、北京師範大學第二附屬中學物理教師張健解釋,牛頓第一定律,又叫慣性定律,就是任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

在地球上,人們被地心引力牢牢吸在地上,但空間站屬於微重力環境,冰墩墩沒有往下墜。張健解釋說,平拋運動是中學物理知識中一個非常重要的運動規律,同學們日常生活中對於這種現象司空見慣,但是在完全失重的情況下,平拋運動到底遵循怎樣的規律,運動軌跡如何,老師平常只能通過想像的方式讓同學們去理解。他看到這次太空授課冰墩墩所演示的情況非常興奮,“這樣就能使學生清楚地認識到,在失重時物體平拋的規律”。

實際上,平拋運動的原理在現實生活中應用非常廣泛。張健在黑板上畫了個半徑為R的球體,代表地球,地球上標出一座高山。他說:“如果我們在高山上做平拋實驗的話,把物體拋出,它將落向地面,如果將物體拋出的速度變大,它將會落向更遠的地方。如果拋出的速度足夠大,它有沒有可能不落回地面而成為環繞地球的一顆衛星呢。”

這個想法最早由牛頓提出,是一個思想實驗,也被稱為“牛頓的高山大炮實驗”。所謂思想實驗,又稱為理想實驗,指的是用一定的邏輯法則在頭腦中進行物理問題研究的思維方式和研究方法。

這類思想實驗在科學發展的曆史中並不鮮見,張健舉例,伽利略通過理想斜面對接實驗,幫助人們認識了力與運動的關係;在廣義相對論中,愛因斯坦用理想升降機提出了強等效原理;海森堡提出的測不準原理,也是利用了單電子衍射理想實驗。

“基於邏輯法則和事實基礎開展的思想實驗,對科學進步起到了重要的作用。”張健說。

至於“牛頓的高山大炮實驗”,則引出了第一宇宙速度等概念,成了發射人造衛星、空間站的重要依據。

張健解釋,7.9千米/秒是第一宇宙速度,也是最小的火箭發射速度;如果拋出速度大到11.2千米每秒,就達到了第二宇宙速度,是脫離地球引力的最小發射速度,比如可以飛向火星;如果拋出速度大到16.7千米每秒,就達到了第三宇宙速度,這是飛出太陽系的最小發射速度。

其實,中國航天,就是這樣越走越遠的。

“冰球”實驗為無容器櫃出場打前站

此次太空授課中,晶瑩的熱“冰球”實驗給不少人留下了深刻的印象。實際上,這是最讓人捏把汗的一個實驗。

過飽和乙酸鈉溶液被王亞平從儲存袋里擠出,形成球體懸浮在空間站中,她手中的毛杆一碰小球,球體隨即開始結晶,變成了一個“冰球”的樣子。只是結晶過程放熱,王亞平拿手碰了碰小球,告訴大家,其實它是熱的。

中國科技館中國空間站科創體驗基地輔導員吳彥旻告訴中青報·中青網記者,這個實驗對這個過飽和溶液的狀態要求比較高。

為啥容易失手還非要選這個實驗呢?吳彥旻透露,這是為了引出葉光富展示的“寶物”——無容器材料實驗櫃。他幽默地說,授課專家打了一個非常形象的比方,把這個實驗櫃比作西遊記里太上老君的煉丹爐。

吳彥旻介紹,通常熔煉物質都需要使用容器承載材料,就是坩堝,往往因此會引入雜質,在材料凝固過程中,會受容器影響,導致實驗取得的數據不準確。

“無容器”就是不用容器承載,使物體在懸空的狀態下實現熔煉的過程。再回頭看亞平老師的實驗,溶液球飄浮在空中,這次並沒有使用固水環,和地面最大的不同是,材料在懸浮條件下完成了結晶變化。同樣沒有使用容器,“天宮課堂”還向大家展示了,無容器櫃用激光加熱合金小球到熔融狀態以及再輝現象。

“容器對材料的生長影響還是挺大的,因為在材料生長的過程中容器的形狀,它表面的結晶度,表面的粗糙度,對材料的晶格結構、缺陷、純度都是有很大影響的。”中科院物理研究所研究員魏紅祥進一步解釋,特別是一些多元的合金,比方說兩元或三元合金,由於它的濃度不一樣,在地面上做的時候它會分層,在微重力環境下,它這方面的影響沒有了,如果再把容器的影響去掉的話,就有可能長出純度更高、結晶度更高、結晶更好的材料。

太空水油分離基本靠“甩”

在地面上,受重力影響,密度不同的水和油會出現分層現象。而在太空中,水和油分離的現象顯然不同。王亞平老師將裝有水和油的小瓶用力搖晃後,水油並沒有分層,而是依然混合在一起,直到葉光富老師的“人工離心機”啟動,才將水和油成功“甩”分層。

太空的微重力環境怎麼來的?人們的第一感覺是去了太空當然就失重了,地球引力夠不到了,真的是這樣嗎?

吳彥旻笑著回答:“咱可能小瞧地球大大的能力了。”他算了一下,空間站離地的高度大約400公里,這個是重力加速度的計算方法,分母就是地球半徑的平方,計算得出,空間站軌道高度的重力水平並沒比地面低太多,大約是地面重力水平的88.5%。

那到底是什麼原因呢?吳彥旻解釋,空間站微重力的成因和它的飛行速度有關,目前公佈的天宮空間站的飛行速度是7.68公里每秒,差不多是步槍子彈速度的10倍。這麼快的速度如果沒有什麼力量拉著,那妥妥地就飛向宇宙了。此時尚存的88.5%的重力正好提供了一個恰到好處的向心力,保證空間站既沒有飛離也不會墜落,它老老實實地圍繞地球做圓周運動。

那為啥都要說微重力,而不是零重力呢?吳彥旻說,首先,地球不是一個理想的均勻球體,本身形狀就不是,各部分的密度也不一樣。它拉扯空間站的力道就有波動。其次,受空間站機動能力和稀薄大氣的影響,空間站也很難做到速度恒定。此外,空間站是個複雜的機器設備,上面有各種儀器在運動,航天員每天還有大量的運動處方任務要完成。他說:“把空間站的環境描述為微重力是非常準確的說法。”

“液橋”實驗操作簡單原理高深

相比其他實驗,“液橋”實驗操作起來比較簡單,這個看似簡單的實驗是怎麼被選上天的呢?

王亞平在太空用水搭起一座“橋”,相比於地面主課堂上同學們手裡微小的液橋,她在空間站中的液橋可謂巨大。“天宮課堂”授課專家組成員、中國科技館科普講師團副團長、北京交通大學副教授陳征揭秘,“天宮課堂”實驗設計有三條基本原則。

陳征說:“第一是安全,不能危及空間站的運行,不能有任何的安全隱患。第二,實驗現像要和地面有明顯的差異,地面上完全不可能隨便拿一杯水就能做出一個液橋的。第三是方便航天員的操作,不要給航天員太多額外的負擔。這幾方面液橋實驗都很符合,所以就把它作為太空授課中的一個內容了。”

此外,看似簡單的液橋實驗其實並不簡單。陳征解釋,在大學教師看來,關於液橋已經不再僅討論表面張力,而是需要讓同學們關心物質的流動和能量的交換。

物理學界流傳著一個故事,著名理論物理學家沃納·海森堡臨終前曾說:“當我見到上帝后,我一定要問他兩個問題——什麼是相對論,什麼是湍流。我相信他只對第一個問題應該有了答案。”著名科學家理查德·費曼稱湍流為“經典物理學中最後一個尚未解決的重要問題”。

陳征說:“空間站可以最大限度擺脫地面重力影響研究流體,給今天的物理學家創造了最好的探索條件。”

在太空授課過程中,“天宮課堂”地面主課堂授課教師、北京市第十三中學物理教師李曉彤和學生們同步做了液橋實驗,她說:“同學們特別喜歡,覺得很神奇。”

事實上,正如陳征所想,小小的液橋一頭拉住了正在勤奮讀書的孩子,一頭拉住了星辰大海的夢想。

中青報·中青網記者 張茜 邱晨輝 來源:中國青年報

2022年03月28日 08 版

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