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(guó)空間站問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的基本情況和主要設(shè)施，生動(dòng)演示了在微重力環(huán)境下的毛細(xì)效應(yīng)、水球變“懶”、太空趣味飲水等實(shí)驗(yàn)，并且介紹了植物生長(zhǎng)研究項(xiàng)目。

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

表面張力“大顯神威”——毛細(xì)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

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

只見(jiàn)陳冬老師將3根粗細(xì)不同的玻璃管同時(shí)插在了裝滿水的培養(yǎng)皿中，驚奇的事情發(fā)生了！細(xì)玻璃管中的液體不斷上升，速度很快，最終到達(dá)了管頂；粗一點(diǎn)的玻璃管中的液體上升速度稍慢，但最終也到達(dá)了管頂。這是怎么回事呢？原來(lái)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(dòng)液面不斷上升，并最終到達(dá)管頂。

其實(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象的原理十分簡(jiǎn)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(kuò)展到整個(gè)液體，在浸潤(rùn)物體中，力是向上的，就會(huì)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(huì)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(rùn)物體，比如在水銀中插入玻璃管，那么液面會(huì)下降并最終穩(wěn)定在一定高度。

毛細(xì)現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用其實(shí)十分廣泛，大到航空器發(fā)動(dòng)機(jī)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(xì)作用。同學(xué)們，你們還能想到生活中的哪些現(xiàn)象運(yùn)用了毛細(xì)作用嗎？

拖累水球的小鋼球——水球變“懶”實(shí)驗(yàn)

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(dòng)。而在水球中加入一個(gè)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(dòng)幅度，就像變“懶”了一樣。這是為什么呢？

原來(lái)，這和水球的共振有關(guān)。共振是指物體所受驅(qū)動(dòng)力的頻率與該物體的固有頻率相近時(shí)，物體振動(dòng)幅度將會(huì)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(shí)，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(dòng)幅度較大，看起來(lái)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(dòng)力，振動(dòng)幅度就小，就像變“懶”了一樣。

做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)，劉洋老師布置了一個(gè)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(shí)在我們生活中非常常見(jiàn)，古時(shí)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(shí)各諸侯國(guó)交戰(zhàn)時(shí)，都會(huì)利用堅(jiān)固的城墻進(jìn)行防守，進(jìn)攻方為了攻破城墻，會(huì)采取挖地道的方法，防守方為了偵察對(duì)手有沒(méi)有挖地道，就發(fā)明了共鳴器。這種共鳴器是一個(gè)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(yuǎn)的深坑里，選一個(gè)聽(tīng)覺(jué)靈敏的人伏在甕口上靜聽(tīng)。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(xì)、長(zhǎng)短等特征，判斷敵人所在的方位和距離?？梢?jiàn)，中國(guó)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(shí)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(huì)引起空氣振動(dòng)，很有可能會(huì)與部分雪層發(fā)生共振，從而引起雪崩?？梢?jiàn)，共振具有兩重性，我們既要合理利用共振為人類(lèi)造福，又要防止共振給人類(lèi)的生產(chǎn)、生活帶來(lái)危害。

用兩米長(zhǎng)的飲水管喝水——太空趣味飲水實(shí)驗(yàn)

用兩米長(zhǎng)的飲水管能喝到水嗎？

劉洋老師用行動(dòng)告訴我們：能！

在全世界觀眾的共同見(jiàn)證下，劉洋老師在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)通過(guò)兩米長(zhǎng)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(méi)有喝到。

為什么在地面上，吸管越長(zhǎng)就越難喝到水呢？這是由于壓強(qiáng)的原因，吸管內(nèi)液體的壓強(qiáng)=液體密度×重力加速度×液面豎直高度，當(dāng)我們使用長(zhǎng)吸管喝水時(shí)，液柱高度越高，吸管內(nèi)液體的壓強(qiáng)就越大，需要的吮吸力也就越大。如果吸管內(nèi)的液體壓強(qiáng)大于我們的最大吮吸力，那么我們就無(wú)法通過(guò)這根吸管喝到杯子里的水。而在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，因?yàn)樘幱谖⒅亓Νh(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(qiáng)，因此劉洋老師能夠很輕松地通過(guò)兩米長(zhǎng)的飲水管喝到袋子里的果汁。

除了這3個(gè)與水有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，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(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙，以及空間站里的植物生長(zhǎng)研究項(xiàng)目。這一期的“天宮課堂”，是科學(xué)與太空的相互碰撞，是知識(shí)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(kāi)展的研究實(shí)驗(yàn)，從而激勵(lì)青少年踴躍投身到祖國(guó)的科技事業(yè)中。

天宮問(wèn)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?yáng)照射的時(shí)候，我們能看到蔚藍(lán)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(méi)有太陽(yáng)照射的地球也非常漂亮，我們能看到城市的點(diǎn)點(diǎn)燈火。如果問(wèn)我覺(jué)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(shí)是金色的，有時(shí)是藍(lán)色的，有時(shí)是紫色的，雖然看了很多次，但是每次都覺(jué)得非常漂亮、非常震撼。”

蔡旭哲老師的回答盡顯中國(guó)航天人的浪漫，勾起了我們的無(wú)限遐想。太空中的一切是那么令人向往，真想有機(jī)會(huì)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。