“天宮課堂”第三課中的有趣水實驗

劉玉柱

在“天宮課堂”第三課中，航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲化身“太空教師”，向廣大青少年展示了中國空間站問天實驗艙的基本情況和主要設(shè)施，生動演示了在微重力環(huán)境下的毛細效應(yīng)、水球變“懶”、太空趣味飲水等實驗，并且介紹了植物生長研究項目。

本次課堂內(nèi)容豐富有趣，不少實驗都與我們每天接觸的水相關(guān)，蘊藏著意想不到的科學(xué)原理和實際應(yīng)用。就讓我們一起走進“天宮課堂”第三課，探尋背后蘊含的科學(xué)奧妙！

表面張力“大顯神威”——毛細效應(yīng)實驗

將玻璃管插入水中，水會在玻璃管中上升一定高度，并且玻璃管越細，上升效果就越明顯，這就是我們常說的毛細現(xiàn)象。在太空中，毛細現(xiàn)象又會有怎樣的不同呢？

只見陳冬老師將3根粗細不同的玻璃管同時插在了裝滿水的培養(yǎng)皿中，驚奇的事情發(fā)生了！細玻璃管中的液體不斷上升，速度很快，最終到達了管頂；粗一點的玻璃管中的液體上升速度稍慢，但最終也到達了管頂。這是怎么回事呢？原來都是重力搞的鬼呀！在太空中，由于缺少了重力的束縛，流體表面張力更加明顯，它又一次“大顯神威”，驅(qū)動液面不斷上升，并最終到達管頂。

其實，毛細現(xiàn)象的原理十分簡單，表面張力使得玻璃管內(nèi)的液面像一張彈性膜，而大量分子又想要附著在玻璃管內(nèi)壁上，并且液固分子間的相互作用可以擴展到整個液體，在浸潤物體中，力是向上的，就會出現(xiàn)液面不斷上升的情況。但由于重力的作用，液面的上升高度會受到限制，因此就出現(xiàn)了我們?nèi)粘Ｋ吹降那闆r。如果是非浸潤物體，比如在水銀中插入玻璃管，那么液面會下降并最終穩(wěn)定在一定高度。

毛細現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用其實十分廣泛，大到航空器發(fā)動機的燃料箱、高空熱管，小到紙巾吸水、植物吸收水分，都利用了毛細作用。同學(xué)們，你們還能想到生活中的哪些現(xiàn)象運用了毛細作用嗎？

拖累水球的小鋼球——水球變“懶”實驗

在微重力環(huán)境下，劉洋老師利用注射器向水球噴射空氣，可以明顯地看到水球在劇烈地振動。而在水球中加入一個空心的小鋼球后，再用同樣的力度去沖擊水球，水球竟神奇地減小了振動幅度，就像變“懶”了一樣。這是為什么呢？

原來，這和水球的共振有關(guān)。共振是指物體所受驅(qū)動力的頻率與該物體的固有頻率相近時，物體振動幅度將會顯著增大。水球的固有頻率在30MHz左右，當(dāng)利用注射器向水球噴射空氣、施加外力時，施加的外力頻率與水球的固有頻率相近，因此水球容易發(fā)生共振，振動幅度較大，看起來十分“活躍”。而空心小鋼球的固有頻率比水球的大得多，在水球中加入空心小鋼球后，使得水球和空心小鋼球組成的新球體的固有頻率比施加的外力頻率大，很難發(fā)生共振，因此新球體再受到同等的驅(qū)動力，振動幅度就小，就像變“懶”了一樣。

做完這個實驗，劉洋老師布置了一個課后作業(yè)，讓同學(xué)們思考水球變“懶”在生活中有哪些應(yīng)用。共振現(xiàn)象其實在我們生活中非常常見，古時候的人們就發(fā)明了各種各樣的共鳴器。在《墨子·備穴》中就有這樣的記載：當(dāng)時各諸侯國交戰(zhàn)時，都會利用堅固的城墻進行防守，進攻方為了攻破城墻，會采取挖地道的方法，防守方為了偵察對手有沒有挖地道，就發(fā)明了共鳴器。這種共鳴器是一個容量大約為80升的陶甕，甕口還蒙上了皮革。人們把陶甕放在離城墻不遠的深坑里，選一個聽覺靈敏的人伏在甕口上靜聽。如果甕里發(fā)出“嗡嗡”的聲音，人們就能知道有敵人在挖地道，而且還可以根據(jù)甕里發(fā)出聲音的大小、粗細、長短等特征，判斷敵人所在的方位和距離。可見，中國古人很早就發(fā)現(xiàn)了聲音共振的現(xiàn)象，并將它應(yīng)用于實踐之中。但不是所有的共振都是有利的，例如在冰山雪峰間吼叫，將會引起空氣振動，很有可能會與部分雪層發(fā)生共振，從而引起雪崩。可見，共振具有兩重性，我們既要合理利用共振為人類造福，又要防止共振給人類的生產(chǎn)、生活帶來危害。

用兩米長的飲水管喝水——太空趣味飲水實驗

用兩米長的飲水管能喝到水嗎？

劉洋老師用行動告訴我們：能！

在全世界觀眾的共同見證下，劉洋老師在問天實驗艙內(nèi)通過兩米長的飲水管，輕輕松松地喝到了袋子里的果汁。而地面課堂的小朋友們，拼盡了全力卻一口也沒有喝到。

為什么在地面上，吸管越長就越難喝到水呢？這是由于壓強的原因，吸管內(nèi)液體的壓強=液體密度×重力加速度×液面豎直高度，當(dāng)我們使用長吸管喝水時，液柱高度越高，吸管內(nèi)液體的壓強就越大，需要的吮吸力也就越大。如果吸管內(nèi)的液體壓強大于我們的最大吮吸力，那么我們就無法通過這根吸管喝到杯子里的水。而在問天實驗艙內(nèi)，因為處于微重力環(huán)境條件下，有效重力加速度幾乎為零，飲水管內(nèi)的液體也幾乎不存在壓強，因此劉洋老師能夠很輕松地通過兩米長的飲水管喝到袋子里的果汁。

除了這3個與水有關(guān)的實驗，航天員老師還利用空間站最常用的工具“T”字扳手展示了神奇的賈尼別科夫效應(yīng)，還向同學(xué)們介紹了第一次用于太空授課的問天實驗艙，以及空間站里的植物生長研究項目。這一期的“天宮課堂”，是科學(xué)與太空的相互碰撞，是知識和奇妙的完美結(jié)合，更好地讓同學(xué)們了解了太空，了解了在太空開展的研究實驗，從而激勵青少年踴躍投身到祖國的科技事業(yè)中。

天宮問答

太空中能看到哪些地球顏色

蔡旭哲老師回答道：“當(dāng)?shù)厍蛴刑栒丈涞臅r候，我們能看到蔚藍的海洋、黃綠相間的陸地、積雪的山脈和大片黃色的沙漠，還能看到飄浮的片片云彩。沒有太陽照射的地球也非常漂亮，我們能看到城市的點點燈火。如果問我覺得最美的顏色是什么，我最喜歡地球外圈的大氣光輝，它在地球邊緣是彩色的，有時是金色的，有時是藍色的，有時是紫色的，雖然看了很多次，但是每次都覺得非常漂亮、非常震撼。”

蔡旭哲老師的回答盡顯中國航天人的浪漫，勾起了我們的無限遐想。太空中的一切是那么令人向往，真想有機會也能登上太空站，去看看蔡旭哲老師眼中的地球是什么樣的。