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“天宫课堂”第二课干货满满

2022-03-24 06:45 来源:科技日报

  3月23日下午,“天宫课堂”第二课在中国空间站开讲,神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富相互配合进行授课,在轨演示了太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等一系列炫酷又好玩的实验。

  不仅好玩,这些实验背后,藏着不少干货,来听专家们怎么解读——

  太空“冰雪”实验

  在太空“冰雪”实验中,王亚平在空间站上用溶液制作了一颗“冰球”。

  太空“冰雪”实验实际上是空间站里的无水醋酸钠实验。这种实验在太空做和在地面做有什么不同?

  中科院物理研究所研究员、物理学会科普工作委员会主任魏红祥解释,区别主要有两点。

  “首先是重力的环境,在空间站是微重力环境,在这种环境下,它的结晶状况跟地面上差别还是挺大的。” 魏红祥说。

  其次就是容器的影响。空间站里的太空“冰雪”实验是没有容器的,是一个圆球状的,在这种情况下结晶是可以往外发展的;如果在容器里面,由于容器的限制,它只能往内结晶。

  “在咱们空间站里面就有无容器的材料柜,其实容器对材料的生长影响还是挺大的,因为在材料生长的过程中,容器的形状、表面的结晶度、表面的粗糙度,对晶格结构、缺陷、纯度等都有很大影响。” 魏红祥说。

  液桥演示实验

  在天宫课堂的液桥演示实验中,水在表面张力作用下,在两个塑料板之间搭起一座“桥”。

  “太空授课的液桥实验非常生动直观地展现出液体表面张力的特性。”北京市第十三中学教师、天宫课堂地面主课堂授课老师李晓彤说,在地面上没有办法做出像天宫课堂上这么大的液桥。

  没错,空间站上的液桥实验,跟地面上的液桥实验也有不同之处。

  天宫课堂授课专家组成员、北京交通大学副教授陈征解释说,空间站上的液桥实验是完全的表面张力的表现,而地面上的液桥实验是引入了电介质极化新机制,现象虽然看起来相似,但其实原理并不相同。

  “流体在现代生活当中其实是一个非常重要的组成部分。我们通过这样一个表面张力的实验,给大家更多关注和探讨流体的机会,对流体多一些理解。要知道,解释流体的纳维尔·斯托克斯方程至今还是世界六大未解数学难题之一。”陈征说。

  “微重力流体物理实际属于流体物理的一个新兴学科。”中国科学院力学研究所研究员康琦介绍,在空间站上做液桥实验就是微重力流体研究范畴,中国空间站核心舱布局了十几个实验柜,其中两个实验柜专门聚焦微重力流体科学。

  太空抛物实验

  这次的天宫课堂上,北京奥运会顶流“冰墩墩”也高调亮相。它在空间站上被航天员抛出后,并没有像在地面上那样做曲线运动,而是水平飞出去了。

  这个不难理解,毕竟在空间站微重力环境下,物体几乎不受重力影响嘛。不过,这么简单的实验为什么要拿到空间站上去做呢?

  “平抛运动在我们生活当中很常见,它看似简单,但其中蕴含着非常丰富的科学道理。”天宫课堂地面总课堂授课老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健说。

  张健介绍,平抛运动指的是在不计空气阻力的情况下,将物体以水平初速度抛出后,它在重力作用下的运动。

  不妨来做这样的思想实验:如果我们在高山上做平抛实验,把物体抛出,它将落向地面;如果将物体抛出的速度变大,它将会落向更远的地方。那么,如果抛出的速度足够大,它有没有可能不落回地面,而成为环绕地球的一颗卫星呢?

  “这个想法最早是由牛顿提出的,所以我们也把这个实验叫作牛顿的‘高山大炮实验’。” 张健介绍,利用中学物理知识就可以把这个“足够大”的速度计算出来:大约8000米/秒。

  “这个速度称为第一宇宙速度,它是发射卫星的最小发射速度,也是在轨运行的所有卫星当中最大的环绕速度。我们的空间站运行速度接近第一宇宙速度。”张健说。

  (科技日报北京3月23日电)

(责任编辑:欧云海)

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