“天宮課堂”，余音回響（下）

□文/南京市玄武高級(jí)中學(xué) 張軍

在上一期的文章中，我們解讀、探討了空間站中與重力有關(guān)的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)，而那些與重力無(wú)關(guān)的現(xiàn)象,在空間站中和在地面上沒(méi)有差別。比如,水分子依然會(huì)發(fā)生共振，所以可以使用微波爐加熱食物；作用力和反作用力的規(guī)律依然適用，所以航天員可以抓住扶手前進(jìn)或停下來(lái)；光的折射與反射規(guī)律不變，所以透過(guò)水球依然能看到物體的像；氣壓依然存在，所以可以向水球內(nèi)吹空氣泡；植物向光性保持不變，所以芽、枝、葉仍背向種植面向光生長(zhǎng)；化學(xué)反應(yīng)依然可以進(jìn)行，所以泡騰片在水中還會(huì)冒出氣泡……

水膜和表面張力

“天宮課堂”中，王亞平老師用金屬圈做出了一個(gè)漂亮的水膜，然后在水膜上注水，做成了一個(gè)大水球。往水球里注入空氣，又可以在水球內(nèi)部做出一個(gè)球形氣泡。氣泡不會(huì)跑出水球，也不會(huì)在水球中爆裂。

在地面上，我們也可以做出水膜。

用金屬絲彎出一個(gè)圓圈，將圓圈插入水中再取出，圓圈中間就會(huì)出現(xiàn)水膜。在水中加一些洗衣粉，或者滴一些洗手液、洗潔精，或者溶解一些肥皂，更容易做出水膜。如果觀察的角度適中，你可以透過(guò)水膜看到對(duì)面物體的像，可以看到光在水膜表面反射形成的像，還可以看到水膜上的彩色條紋（圖1）。

圖1

圖2

圖3

我們可以在金屬圈上系一根松弛的棉線，當(dāng)形成水膜時(shí)，線依然松弛（圖2）。但是，如果把棉線一側(cè)的水膜捅破，棉線立刻會(huì)被另一側(cè)的水膜拉成圓弧形（圖3）。這是為什么呢？

物質(zhì)是由大量分子構(gòu)成的，分子間存在著相互作用的引力和斥力。棉線兩側(cè)都有水膜時(shí)，兩邊的水分子對(duì)棉線的引力平衡了，所以棉線的松弛狀態(tài)不變。當(dāng)一側(cè)水膜破了，原先的平衡被打破，另一側(cè)水膜分子的引力就會(huì)把棉線拉過(guò)去。而棉線被拉成圓弧形，與液體的表面張力有關(guān)。

分子間到底表現(xiàn)為引力還是斥力，與分子間距離有關(guān)。對(duì)于特定的物質(zhì)，分子間有個(gè)適當(dāng)?shù)木嚯xr0，等于這個(gè)距離時(shí)，引力與斥力平衡，都表現(xiàn)不出來(lái)。當(dāng)分子間距離小于r0時(shí)，表現(xiàn)出斥力。我們壓縮一個(gè)固體時(shí)，肉眼并沒(méi)有看到固體有明顯的形變，但是分子之間的距離縮小了，表現(xiàn)出斥力，所以固體很難被壓縮。同樣道理，固體也很難被拉伸，因?yàn)槔鞎r(shí)分子間距離增大了，表現(xiàn)出引力。

在液體內(nèi)部，每個(gè)分子都被周?chē)姆肿影鼑?，因?yàn)閷?duì)稱(chēng)，周?chē)肿邮┘拥淖饔昧ο嗷サ窒?。液體表面與空氣形成了分界面，空氣分子對(duì)液體表面分子的吸引力，遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部分子對(duì)表面分子的吸引力，導(dǎo)致表面層的液體分子（一般是幾個(gè)分子的厚度范圍）受到垂直于表面、指向液體內(nèi)部方向的合力。同時(shí)，由于表面液體分子間距離大，表現(xiàn)出相互的吸引力，產(chǎn)生表面張力，讓液體的表面積趨向更小。我們可以這樣形象地理解：液體表面的分子相互手拉手，使得液體表面好像蒙上了一層富有彈性的“皮膚”。

水更加特殊一些，每個(gè)水分子由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子構(gòu)成。氧原子與氫原子通過(guò)共用電子結(jié)合，但是共用電子會(huì)更接近氧原子，導(dǎo)致氧原子會(huì)略微帶負(fù)電，氫原子略微帶正電。當(dāng)兩個(gè)水分子接近時(shí)，一個(gè)水分子中的氫原子會(huì)與另一個(gè)水分子中的氧原子通過(guò)電磁力相吸引，形成氫鍵。氫鍵的存在讓一個(gè)水分子最多可以和另外4個(gè)水分子結(jié)合，并且那4個(gè)水分子恰好位于正四面體的頂點(diǎn)處（圖4）。

圖4

水結(jié)冰后體積增大，水的比熱容大，都與氫鍵有關(guān)。也正是因?yàn)闅滏I的存在，導(dǎo)致水的表面張力比酒精、乙酸、苯要大得多。

棉線與水膜的質(zhì)量均較小，受重力影響也小。當(dāng)棉線一側(cè)的水膜被破壞時(shí)，棉線被拉向另一側(cè)，而且呈弧形，這是因?yàn)楸砻鎻埩?huì)讓幾種不同態(tài)的物體接觸時(shí)面積趨向最小。表面張力也會(huì)讓小水滴趨于呈現(xiàn)球形——體積一定的情況下，球形的表面積最小。

正是因?yàn)樗谋砻鎻埩μ?，所以難以用純水吹出泡泡來(lái)。加點(diǎn)洗衣粉、洗潔精、肥皂水、甘油等，水的表面張力會(huì)減小，泡泡就不易破碎了。泡泡變大時(shí)，也會(huì)變薄，分子間距離變大，導(dǎo)致表面張力也會(huì)增大。如果在水里加點(diǎn)糖，可以讓水膜變厚，泡泡的壽命就會(huì)更長(zhǎng)些。

表面張力讓水面富有彈性，就像“蹦床”。我們?cè)谒娣派锨鷦e針或者硬幣，水面會(huì)把曲別針和硬幣托起來(lái)。仔細(xì)觀察，你會(huì)看到水面發(fā)生的形變（圖5）。

圖5

生活中的很多現(xiàn)象都與表面張力有關(guān)，比如水面的漣漪、蜘蛛網(wǎng)上的水珠、傘面的雨水不會(huì)從織物縫隙中漏下，等等。

肥皂、油脂會(huì)減小水的表面張力。用結(jié)實(shí)的紙剪一個(gè)船形，在船尾放一塊與水接觸的肥皂。接觸到肥皂的水面表面張力減小，造成船頭部分、船尾部分水的表面張力不等，紙船就會(huì)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。寬蝽、隱翅蟲(chóng)等在水面活動(dòng)的昆蟲(chóng)，能通過(guò)用腳尖排放油脂的方法前進(jìn)，原理與此類(lèi)似。

在地球表面，重力的作用遠(yuǎn)大于表面張力。水較多時(shí)，水的表面更趨于水平，這樣減小了重力勢(shì)能，形狀更穩(wěn)定。水較少時(shí)，球形會(huì)明顯一些。草葉上的露珠、荷葉上的水珠，都趨于球形（圖6）。但是，由于重力的影響，這些球形也不標(biāo)準(zhǔn)。下落的雨點(diǎn)、水管滴下的水滴也會(huì)呈現(xiàn)球形，但是重力和空氣阻力的影響會(huì)讓雨點(diǎn)和水滴前端平一些、尾部細(xì)一些，整體像是被拉長(zhǎng)了（圖7）。

圖6

圖7

假如飄浮在空間站的失重環(huán)境中，水滴將呈現(xiàn)出理想的球形，因?yàn)樵谑е丨h(huán)境中，分子間的引力依然存在。王亞平老師在介紹空間站里的再生水時(shí)，從水袋里擠出了一些水，這些水沒(méi)有像在地面上那樣傾瀉而下，而是自然而然地變成了球形，并因失重懸浮在空中。

紙花綻放與毛細(xì)現(xiàn)象

“天宮課堂”中，王亞平老師把一朵折紙小花貼到水膜上，紙花在水膜上竟然“綻放”了（圖8）！

液體與固體接觸時(shí)，會(huì)在接觸位置形成一層薄薄的附著層。附著層的液體分子既被固體分子吸引，也被液體分子吸引。如果固體分子的引力大，附著層中的液體分子就會(huì)因密集表現(xiàn)出斥力，導(dǎo)致附著層更容易沿固體表面鋪開(kāi)，這種現(xiàn)象叫作浸潤(rùn)。如果固體分子的引力小，附著層中的液體分子會(huì)因稀疏表現(xiàn)出引力，讓附著層發(fā)生收縮（與表面張力成因類(lèi)似），不容易沿固體表面鋪開(kāi)，這種現(xiàn)象叫作不浸潤(rùn)。

圖8

把水滴到玻璃表面，水很容易鋪開(kāi)，表明水對(duì)玻璃是浸潤(rùn)的；把水滴到石蠟表面，水很難鋪開(kāi)，表明水對(duì)石蠟是不浸潤(rùn)的。也就是說(shuō)，同種液體對(duì)有些固體浸潤(rùn)，對(duì)有些固體不浸潤(rùn)，這取決于附著層中液體分子的受力情況。比如，水銀對(duì)玻璃是不浸潤(rùn)的，對(duì)鉛則是浸潤(rùn)的。

把液體盛放到容器中，液體對(duì)固體的浸潤(rùn)會(huì)造成液面貼著容器壁上升，形成凹形液面；液體對(duì)固體的不浸潤(rùn)會(huì)造成液面貼著容器壁下降，形成凸形液面。所以，水在玻璃量筒中呈凹形液面，水銀在玻璃量筒中則呈凸形液面。

圖9

容器材質(zhì)與液體種類(lèi)一定時(shí)，容器內(nèi)徑越小，浸潤(rùn)液體的上升現(xiàn)象與不浸潤(rùn)液體的下降現(xiàn)象就越明顯，我們稱(chēng)之為毛細(xì)現(xiàn)象，能夠發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象的管狀容器就叫作毛細(xì)管（圖9）。毛細(xì)管可以是直的，也可以是彎的。毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力及浸潤(rùn)現(xiàn)象都有關(guān)系。

紙張的主要成分是纖維素，纖維素的縫隙其實(shí)就是毛細(xì)管，毛細(xì)作用讓水快速地進(jìn)入紙張纖維的縫隙中。纖維的吸水膨脹使折痕逐漸舒展，呈現(xiàn)出“花開(kāi)”效果。

毛細(xì)現(xiàn)象很普遍，比如粉筆吸水、毛巾吸水、紙尿褲吸水、燈芯吸油、植物用根部吸取土壤中的水分并輸送到莖和葉等。干旱季節(jié)，將巖石震碎，毛細(xì)現(xiàn)象會(huì)讓地下水從巖石內(nèi)部的裂縫上升，引到地面來(lái)。用石碾子壓緊土壤，可以讓土壤的縫隙變成“毛細(xì)管”，地下水會(huì)被“吸”上來(lái)潤(rùn)濕土壤表層；而松土則會(huì)破壞毛細(xì)現(xiàn)象，幫助植物根部“鎖水”“保水”。

有人還利用毛細(xì)現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一款太空咖啡杯，把杯體由通常的圓柱形改成窄窄的尖角（圖10），因?yàn)橹亓τ绊懖淮嬖诹耍后w可以通過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象爬升到杯口，這樣既能方便地喝到咖啡，又不會(huì)讓液體四處亂跑。

容易吸引水分子的材料叫親水材料，不容易吸引水分子的材料叫疏水材料。全棉毛巾就是很好的親水材料，它很容易把水擦干，放進(jìn)水中也會(huì)立即潮濕，這是因?yàn)樗锩娴睦w維就是毛細(xì)管。所以，購(gòu)買(mǎi)毛巾時(shí)，比較吸水性是區(qū)分化纖材質(zhì)還是全棉材質(zhì)的簡(jiǎn)單方法。不過(guò)，現(xiàn)在已有多種方法可以提高化纖材料的親水性，比如激光處理、等離子體處理和電子射線聚合等。

圖10

日常生活中，從毛巾里擰出的水會(huì)在重力作用下滴落。如果重力“消失”，擠出的水則會(huì)包圍在毛巾表面，很難離開(kāi)?？臻g站是微重力環(huán)境，濕毛巾是沒(méi)辦法擰干的，但可以用針筒、滴管將水“吸”走，因?yàn)榇髿鈮菏谴嬖诘模灰部梢杂檬种笍棑?，因?yàn)榱梢愿淖兾矬w的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；也可以將水抖落，因?yàn)閼T性依然存在；還可以用紙巾將水吸走，因?yàn)槊?xì)現(xiàn)象可以發(fā)揮作用——這些都與重力無(wú)關(guān)。本次“天宮課堂”中，航天員在將水膜上的紙花收起來(lái)時(shí)，是用紙巾包裹住紙花的，這樣可以防止水滴四散而損壞設(shè)備，也便于水的回收再利用。

防雨衣、沖鋒衣的表面材料是疏水性的，雨滴落到上面時(shí)會(huì)滑走。荷葉表面也是疏水性的，水珠可以在上面滾來(lái)滾去，但荷葉不濕。自然界很多植物的疏水性能都很強(qiáng)，如水稻葉、花生葉等。雞、鴨、鵝的羽毛，蝴蝶的翅膀，蟬翼等，疏水能力也很強(qiáng)。疏水性對(duì)這些生物的生存具有重要意義。

超疏水材料指的是疏水能力特別強(qiáng)的材料，在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。比如，可以防止輸油管道內(nèi)壁黏附，防止天線、輸電線上積雪，減少潛艇外殼的阻力，幫助皮革制品、紡織品防水、防污，等等。

解讀浮力消失之謎

空間站內(nèi)和重力相關(guān)的現(xiàn)象就與地球上迥然不同了，比如液體的浮力就不存在了。

圖11

展示完水球，王亞平將水球染成了藍(lán)色，并向其中投入半顆泡騰片。泡騰片迅速產(chǎn)生了大量的氣泡，水球變成了氣泡球，但是，這些氣泡卻不會(huì)浮出水面（圖11）。

在地面上，浮力是如何產(chǎn)生的？我們以被按到了水面下方的乒乓球?yàn)槔?，?lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。由于水受到重力作用，而且可以流動(dòng)，所以從各個(gè)方向?qū)ζ古仪虍a(chǎn)生了壓力。壓力的作用效果用壓強(qiáng)來(lái)表示，水內(nèi)部的壓強(qiáng)大小與水的密度、乒乓球在水面下的深度、當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)。乒乓球前后兩個(gè)方向、左右兩個(gè)方向所受的壓力均平衡了，但是上、下方向的壓力卻不能平衡，水對(duì)乒乓球向上的壓力大于對(duì)乒乓球向下的壓力，這個(gè)壓力差就是浮力。乒乓球的存在，擠占了原先水的空間，排開(kāi)了一部分水。乒乓球所受的浮力大小，與被排開(kāi)的水所受的重力大小相等，這就是阿基米德原理。重力的方向豎直向下，浮力的方向豎直向上，它們的方向都與水平面垂直。

但是，正如前面所分析，空間站中物體對(duì)支撐面的壓力消失了，壓力差自然也就不存在了，浮力消失。而且，空間站里也沒(méi)有上、下的概念。這時(shí)，乒乓球在水中便不會(huì)浮起來(lái)。同樣的道理，氣泡在水中也不會(huì)浮起來(lái)，和懸空放在空間站中的其他位置沒(méi)什么兩樣。

因?yàn)槭е?，單擺在空間站也不會(huì)往復(fù)擺動(dòng)，人不能直接從杯子里喝水，膀胱也難以正確發(fā)出需不需要排空的信號(hào)。

在家里模擬水球成像

太空站中的水球成像實(shí)驗(yàn)就很難在地面上重現(xiàn)。在地面上，我們做不出懸浮在空中的標(biāo)準(zhǔn)水球。但是，利用初中的光學(xué)知識(shí)，我們可以對(duì)空間站的水球成像做一個(gè)簡(jiǎn)單分析。

光射到水球表面時(shí)，有3個(gè)去向：一部分被水吸收，一部分按光的反射規(guī)律被反射回來(lái)（水球外表面相當(dāng)于凸面鏡，反射將形成虛像），還有一部分遵循光的折射規(guī)律進(jìn)入了水球內(nèi)部。

進(jìn)入水球內(nèi)部的光線沿直線傳播，再次到達(dá)水與空氣的分界面。其中一部分遵循光的折射規(guī)律射出水球，另一部分則發(fā)生第一次反射，當(dāng)然也有少部分被水吸收。水球內(nèi)表面可以看作凹面鏡，第一次反射可以成像。由于物體位置不同，射進(jìn)水球的光線方向不同，水球內(nèi)部第一次反射的光有可能在水球內(nèi)部發(fā)生第二次、第三次乃至更多次的反射，而且這些光線還有部分會(huì)從水球中“鉆”出去。多次反射可能成像，也可能無(wú)法形成清晰的像，因?yàn)橛行┕饩€可能聚到一點(diǎn)，而有些光線則是聚在一個(gè)區(qū)域，而且會(huì)聚與發(fā)散會(huì)多次發(fā)生。

透過(guò)水球的光線有些聚到一個(gè)點(diǎn)，有些聚在一個(gè)區(qū)域，有些發(fā)射——發(fā)散光線的反向延長(zhǎng)線同樣可以形成虛像。這樣，我們從不同角度觀察水球，可能看到清晰的像，可能看到模糊的像（初中物理中，不清晰的像不能算作像）。這些像有的正立，有的倒立，有的亮度大一些，有的亮度小一些。由于白色光是復(fù)色光，其中不同頻率的光折射情況不同，還會(huì)發(fā)生色散現(xiàn)象。我們?cè)囍鴱牟煌嵌瓤此?，有時(shí)會(huì)看到彩色光帶。

彩虹的形成機(jī)理與此類(lèi)似。陽(yáng)光進(jìn)入懸浮在空氣中的小水滴內(nèi)，經(jīng)過(guò)一次反射、兩次折射形成彩虹，經(jīng)過(guò)兩次折射、兩次反射則形成霓虹。因此，彩虹和霓虹的高度不同，顏色的層遞順序也正好反過(guò)來(lái)。如果陽(yáng)光在水滴內(nèi)反射的次數(shù)更多，還會(huì)出現(xiàn)第三道虹、第四道虹或者更多道虹，但是由于陽(yáng)光比較強(qiáng)烈，用肉眼難以觀察到。

圖12

如果在水球中間再放置一個(gè)空氣泡，情況會(huì)更為復(fù)雜。在物體到水球的距離、人眼到水球的距離都適宜的情況下，我們可以同時(shí)看到倒立的像和正立的像。倒立的像是光經(jīng)過(guò)水折射形成的，與凸透鏡成像類(lèi)似；正立的像是光經(jīng)過(guò)水、空氣、水形成的，與凹透鏡成像類(lèi)似。近視眼鏡是凹透鏡，我們透過(guò)鏡片看到的是正立、縮小的虛像。防盜門(mén)上的“貓眼”，也是凹透鏡。

在地面上，我們雖然做不出懸浮的水球，但是可以設(shè)計(jì)出類(lèi)似的裝置，看到類(lèi)似的現(xiàn)象。

在燒杯里裝滿水，透過(guò)燒杯可以看到物體的像（圖12）。這些像有反射形成的，也有折射形成的。透過(guò)燒杯觀察畫(huà)在紙上的箭頭，當(dāng)紙離得比較近時(shí)，我們看到被橫向放大的像；當(dāng)紙片逐漸遠(yuǎn)離，我們可以看到左右倒立的箭頭的像。紙片離得越遠(yuǎn)，像越小，這與凸透鏡成像類(lèi)似，但是倒立情況不同。凸透鏡成的倒立的像是上下、左右都倒立，而燒杯和水所成的倒立的像只有左右倒立。因?yàn)橥雇哥R的構(gòu)造是中間厚、邊緣薄，而燒杯是中間厚、兩側(cè)薄，上、下方向并沒(méi)有變薄。

將一支空試管插入燒杯內(nèi)的水中，這樣水中間就有一個(gè)圓柱形的空氣柱了。透過(guò)燒杯里的水和空氣柱，我們就可以看到兩個(gè)不同的箭頭像（圖13）。你不妨在家里試一試，改變箭頭到燒杯的距離，看看像的大小、方向變化有何規(guī)律。沒(méi)有燒杯，用透明的玻璃杯也行。

圖13

有條件的話，你可以買(mǎi)一個(gè)水晶球，盡管它與水球的材質(zhì)不同，但是它們的成像規(guī)律非常類(lèi)似。觀察水晶球，你可以發(fā)現(xiàn)多個(gè)像，清晰的、模糊的、正立的、倒立的都有。角度適當(dāng)?shù)脑?，你還可以觀察到彩色條紋（圖14）。這些像的成因，與上面對(duì)水球成像的分析相同。

圖14

圖15

僅憑家里的條件，無(wú)法在水晶球中制作出一個(gè)空氣泡，但是可以設(shè)計(jì)替代方案。買(mǎi)一個(gè)球形的魚(yú)缸，裝上水，就可以替代水球了。找一個(gè)小點(diǎn)的球形玻璃容器，比如白熾燈的燈泡、玻璃氣罐，插入裝水的球形魚(yú)缸內(nèi)，一個(gè)“空氣泡”就出現(xiàn)了。利用這套裝置，你可以將“天宮課堂”中的水球成像情況完美地模擬出來(lái)（圖15）。

當(dāng)然，我們還有很多的疑問(wèn)，比如空間站會(huì)“翻跟頭”嗎？空間站如何避開(kāi)太空垃圾？空間站里的火焰是什么形狀？等等。目前，微重力已成為專(zhuān)門(mén)的學(xué)科，有著廣闊的研究空間。

飛天夢(mèng)永不失重，科學(xué)夢(mèng)張力無(wú)限。微重力環(huán)境中還有哪些奇妙的現(xiàn)象呢？讓我們期待下一次的“天宮課堂”。記得掃碼，跟著視頻做科學(xué)。