“天宮課堂”第二課在中國(guó)空間站開(kāi)講，神舟十三號(hào)乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進(jìn)行授課，在軌演示了太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)、液橋演示實(shí)驗(yàn)、水油分離實(shí)驗(yàn)、太空拋物實(shí)驗(yàn)等一系列炫酷又好玩的實(shí)驗(yàn)。
不僅好玩，這些實(shí)驗(yàn)背后，藏著不少干貨，來(lái)聽(tīng)專(zhuān)家們?cè)趺唇庾x——
太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)
在太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)中，王亞平在空間站上用溶液制作了一顆“冰球”。
太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是空間站里的無(wú)水醋酸鈉實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)在太空做和在地面做有什么不同?
中科院物理研究所研究員、物理學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)主任魏紅祥解釋?zhuān)瑓^(qū)別主要有兩點(diǎn)。
“首先是重力的環(huán)境，在空間站是微重力環(huán)境，在這種環(huán)境下，它的結(jié)晶狀況跟地面上差別還是挺大的。”魏紅祥說(shuō)。
其次就是容器的影響。空間站里的太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)是沒(méi)有容器的，是一個(gè)圓球狀的，在這種情況下結(jié)晶是可以往外發(fā)展的;如果在容器里面，由于容器的限制，它只能往內(nèi)結(jié)晶。
“在咱們空間站里面就有無(wú)容器的材料柜，其實(shí)容器對(duì)材料的生長(zhǎng)影響還是挺大的，因?yàn)樵诓牧仙L(zhǎng)的過(guò)程中，容器的形狀、表面的結(jié)晶度、表面的粗糙度，對(duì)晶格結(jié)構(gòu)、缺陷、純度等都有很大影響。”魏紅祥說(shuō)。
液橋演示實(shí)驗(yàn)
在天宮課堂的液橋演示實(shí)驗(yàn)中，水在表面張力作用下，在兩個(gè)塑料板之間搭起一座“橋”。
“太空授課的液橋?qū)嶒?yàn)非常生動(dòng)直觀地展現(xiàn)出液體表面張力的特性。”北京市第十三中學(xué)教師、天宮課堂地面主課堂授課老師李曉彤說(shuō)，在地面上沒(méi)有辦法做出像天宮課堂上這么大的液橋。
沒(méi)錯(cuò)，空間站上的液橋?qū)嶒?yàn)，跟地面上的液橋?qū)嶒?yàn)也有不同之處。
天宮課堂授課專(zhuān)家組成員、北京交通大學(xué)副教授陳征解釋說(shuō)，空間站上的液橋?qū)嶒?yàn)是完全的表面張力的表現(xiàn)，而地面上的液橋?qū)嶒?yàn)是引入了電介質(zhì)極化新機(jī)制，現(xiàn)象雖然看起來(lái)相似，但其實(shí)原理并不相同。
“流體在現(xiàn)代生活當(dāng)中其實(shí)是一個(gè)非常重要的組成部分。我們通過(guò)這樣一個(gè)表面張力的實(shí)驗(yàn)，給大家更多關(guān)注和探討流體的機(jī)會(huì)，對(duì)流體多一些理解。要知道，解釋流體的納維爾·斯托克斯方程至今還是世界六大未解數(shù)學(xué)難題之一。”陳征說(shuō)。
“微重力流體物理實(shí)際屬于流體物理的一個(gè)新興學(xué)科。”中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員康琦介紹，在空間站上做液橋?qū)嶒?yàn)就是微重力流體研究范疇，中國(guó)空間站核心艙布局了十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)柜，其中兩個(gè)實(shí)驗(yàn)柜專(zhuān)門(mén)聚焦微重力流體科學(xué)。
太空拋物實(shí)驗(yàn)
這次的天宮課堂上，北京奧運(yùn)會(huì)頂流“冰墩墩”也高調(diào)亮相。它在空間站上被航天員拋出后，并沒(méi)有像在地面上那樣做曲線運(yùn)動(dòng)，而是水平飛出去了。
這個(gè)不難理解，畢竟在空間站微重力環(huán)境下，物體幾乎不受重力影響嘛。不過(guò)，這么簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)為什么要拿到空間站上去做呢?
“平拋運(yùn)動(dòng)在我們生活當(dāng)中很常見(jiàn)，它看似簡(jiǎn)單，但其中蘊(yùn)含著非常豐富的科學(xué)道理。”天宮課堂地面總課堂授課老師、北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)物理教師張健說(shuō)。
張健介紹，平拋運(yùn)動(dòng)指的是在不計(jì)空氣阻力的情況下，將物體以水平初速度拋出后，它在重力作用下的運(yùn)動(dòng)。
不妨來(lái)做這樣的思想實(shí)驗(yàn)：如果我們?cè)诟呱缴献銎綊亴?shí)驗(yàn)，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(huì)落向更遠(yuǎn)的地方。那么，如果拋出的速度足夠大，它有沒(méi)有可能不落回地面，而成為環(huán)繞地球的一顆衛(wèi)星呢?
“這個(gè)想法最早是由牛頓提出的，所以我們也把這個(gè)實(shí)驗(yàn)叫作牛頓的‘高山大炮實(shí)驗(yàn)’。”張健介紹，利用中學(xué)物理知識(shí)就可以把這個(gè)“足夠大”的速度計(jì)算出來(lái)：大約8000米/秒。
“這個(gè)速度稱(chēng)為第一宇宙速度，它是發(fā)射衛(wèi)星的最小發(fā)射速度，也是在軌運(yùn)行的所有衛(wèi)星當(dāng)中最大的環(huán)繞速度。我們的空間站運(yùn)行速度接近第一宇宙速度。”張健說(shuō)。
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