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中国空间站太空课堂再开讲!王亚平老师授课,8个项目4个有水?

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老粥科普 2021-12-07 18:59

王亚平老师的太空课堂又开课啦!这距离她2013年6月的太空授课已经过去了8年半,虽说课堂布置更大更先进,但讲课的内容依然主要是物理,道具也还是离不开水。

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神舟十三号再开太空课堂

从王亚平老师提前公布课程表的8个项目看,项目2涉及生物学,项目7涉及化学,项目3、4、5、6、7都与物理学有关,其中4、5、6、7都会用到水。

8个项目4个与水有关

细心的朋友会说:“水膜张力实验”和“水球光学实验”上回做过了吧,怎么还做?没有新鲜的了吗?

实际上,这一次的“浮力消失实验”和“泡腾片实验”的原理8年前也出现过,只是表现的方式更加新颖了。

2013年王亚平老师水中倒影

不只是中国航天员爱用水,国外宇航员在做太空知识科普时,也无一例外会用到水这种“神奇道具”。欧空局的英国宇航员向欧洲孩子们在线科普,就用水玩了一把“太空乒乓球”的游戏,把孩子们逗得惊叫连连。

英国宇航员用拍子打水球

在地面,由于有地球引力存在,水的表面张力表现得不那么明显,但你依然可以小心翼翼地在水面放一枚回形针,看着密度比水大得多的铁漂浮在水面上。物理老师会告诉你,这是因为水表面有一种表面张力在起作用。

水的表面张力

到了太空,由于空间站在近圆轨道上绕着地球高速飞行,空间站和它里边的一切物质都因7.68公里/秒的轨道速度而拥有了“离心力”,与地球引力相抵消,于是在空间站里感觉不到重力。这时候水的表面张力就变得更加明显。

当没有外界干扰时,漂浮在空中的水会因为表面张力的牵拉自动团成一颗圆圆的水球,这是因为当体积相同时,圆球的表面积最小。

俄罗斯宇航员表演吞水球

水分子由两个氢原子和一个氧原子构成,因为电子受到氧原子牵拉,它们更靠近氧,于是氢原子这边带微弱的正电荷,氧原子这边带负电荷,这使得水分子显现出极性。

当两个水分子靠近时,由于异性相吸,其中一个分子的氢原子会被另一个分子的氧原子吸引,从而形成氢键。水里边每一个水分子都与它附近另四个水分子靠着氢键相互联系。

水分子因电极性导致相互吸引

但是在液体与空气的界面处,水分子彼此之间的角度被扭转,这就导致平行于液体表面的切向力。由于切向力的作用,水的表面就像是覆盖了一层被拉伸的弹性薄膜一样。

水表面张力的原因

在空间站微重力环境下,你能很容易在一个金属圆环里制造一个像放大镜一样的水膜,由于表面张力作用,它很有弹性,哪怕你来回晃动它都不会破。这种现象在地面也能出现,只是圆环要非常小才成。

水膜有很强的弹性

在所有常温液体中(汞除外),水的表面张力几乎是最强大的,这主要是因为水分子的强极性导致氢键的力很强大。当我们用注射器向水膜射水时,会看到大多数水珠被反弹出来。

水珠被水膜弹开

回形针在水面漂浮依靠的是表面张力,但船舶在水面就没办法依靠表面张力了,船舶依靠排开一定体积的水所产生的浮力漂浮在水面上。同样地,当你向水里吹一个气泡,由于空气的密度比水低,它也会很快向水面运动。

在空间站里,由于重力“消失”,浮力也同时消失了。你向水里吹一个气泡,它会停留在水里边,并不向上漂浮。

类似的实验王亚平老师在2013年也做过,当时是用针筒向水球里打了两个泡泡。两个泡泡一直呆在水球里,直到航天员用针筒将它们抽出来。

宇航员向水球中吹气泡

泡腾片也是空间站宇航员们爱玩的游戏之一。泡腾片里通常有碳酸氢钠和柠檬酸(或其它弱酸),当把它扔进水杯里时,这两种物质会发生化学反应产生细密的二氧化碳气泡,很是好玩。

地面泡腾片产生气泡很快上浮

在地面,由于存在浮力,泡腾片产生的二氧化碳气泡会迅速上浮,然后在水面消失。空间站里失重,气泡不会上浮,而是均匀地向四周扩散,把水球撑得越来越大,其中一部分突破水的表面张力跑到空气里边。

泡腾片在太空产生气泡

水球的光学实验其实在地面都可以做,只是你需要把水球换成水晶球。

由于地球重力的关系,只有直径很小的露珠才能保持圆球形状,你很难透过露珠观察到清晰的影像。

在光学上,水晶球就相当于两个组合在一起的凸透镜,光线穿过它时会发生两次折射,从而在另一边形成方向完全相反的图像。

水晶球折射光线产生倒影

空间站里重力几乎为零,如果没有气流扰动,水会在表面张力的作用下团成一个几乎完美的透明圆球,就像水晶球那样显示出倒影来。

每当做太空科普时,拍摄水中倒影几乎成为宇航员们必做的“保留节目”,大家乐此不疲。

微重力下的水球倒影

太空科普生动有趣,我们每天饮用的水在微重力条件下表现出许多神奇的功能,我们习以为常的许多知识也在太空里有了新鲜感。通过航天员的亲身演示,你不仅能看热闹,还可以复习轨道力学、牛顿三大定律、分子间强大的作用力、表面张力、物体形状与表面积的关系、光的折射等一系列物理知识。

由此可见,航天员们喜欢玩水,不仅因为它非常珍贵,还因为其中包含了许多科学道理呢!

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