10年中國太空授課之“水”系列實驗研究

王太軍 胡 嚴 張曉婷 趙紅艷

(1. 西北師范大學教師教育學院物理教育研究所,甘肅 蘭州 730070; 2. 西北師范大學教育科學學院,甘肅 蘭州 730070)

1 引言

新世紀以來中國航天飛速發展20年,不斷刷新世界紀錄,屢屢創造世界奇跡.先有2003年中國航天員楊利偉首入太空,而后“嫦娥”攬月、“北斗”指路、“天問”探火、“羲和”逐日,以及“天和”遨游星辰.時至今日,自主建造、獨立運行的中國空間站已全面建成.中國航天不僅成為強國建設中一張靚麗的國家名片,而且還為全世界科普教育做出了卓著貢獻.自2013年中國航天員王亞平首次太空開講,10年來中國航天員乘組已開展5次精彩絕倫的太空授課,將中國載人航天科技發展成就惠及全世界青少年,其中“水”相關實驗且占太空授課中實驗總數的一半以上,如表1所示.

“水”相關實驗在太空授課中頻頻出鏡,深受航天員青睞,一方面是由于水是生命之源,是我們賴以生存的基本物質,在生活中最為常見且便于獲取;另一方面,由于太空微重力環境與地球表面的差異,水所呈現出的形態與性能差異變化之大、形態之豐富,能極大限度激發青少年學生強烈認知沖突和科學探究欲望,故成為中國太空授課內容的理想選擇.因此,深入探析太空授課中水相關主題實驗現象及其科學原理,為充分發揮科學育人、中國航天精神育人,以及強國建設的自信培養、中華民族認同感與自豪感培養等提供最為直接的事實理據.

2 中國太空授課中“水”系列實驗現象及原理

10年來5次中國太空授課展示了如水膜、水球光學、太空“冰雪”等水相關實驗.這些實驗不僅讓我們大開眼界,也挑戰了我們長期生活在地表的經驗常識,具有高度的科學育人價值,概括起來主要有以下幾方面.

2.1 表面張力現象

在太空授課中,水滴、水球都幾乎呈完美的球狀,是由于太空中微重力環境和液體表面張力作用共同影響.在液體和氣體的分界處,形成液體層跟氣體接觸的表面層,[1]其微觀結構與液體內部不同,表面層分子和內部分子的受力也不同,其最終合力表現為在分界面使得液體表面繃緊.[2]具體而言,如圖1所示,液體內部分子A受到周圍分子的引力是對稱的,彼此平衡;而表層分子B則與A不同,液體分子對它的引力遠大于分界面上方的氣體分子對它的引力,最終其所受的合力垂直于液面而指向液體內部.[3]同時,表面層分子具有較高的表面能,具有自動縮小表面積來減小表面能的傾向,這種傾向在液體表面就表現為表面張力.[4]

圖1 液體分子受力示意圖

以表面層為液體和空氣接觸情形為例.設在液面上有一微小面積元AB,AB以外的表面對AB面有表面張力的作用,液體會受到內部壓力和外部空氣帶來的壓力,為了維持液面的平衡,表面張力會產生一個作用力,[5]即壓力差(稱為附加壓力,用Δp表示),使得內外壓力之間平衡,則有p=Δp+p0,如圖2所示.

圖2 彎曲液面附加壓力示意圖

在當前中學物理教學中,學生對表面張力現象理解有一定困難,地表的液體表面張力現象并沒有太空授課中的顯著,太空授課中“液橋”實驗便是如此.同時,太空“乒乓球”實驗更顯精彩,航天員揮起用毛巾包裹的乒乓球拍,輕輕擊打水球,只見水球碰到毛巾表面后,不僅沒有破裂,也沒有被吸收,反而像乒乓球一樣被彈開了.水球被“彈開”除了表面張力使水球能夠保持相對穩定不易破裂以外,還因為毛巾表面存在許多類似于荷葉表面的絨毛,具有特殊的微納結構,可以“捕獲”空氣,形成“空氣膜”,使水球與毛巾表面的接觸面積減小,接觸角變大,滾動角減小,因此黏附力也就減小,表現為較強的疏水性.這將極大加深學生對表面張力、疏水性等相關知識的具身認知.

2.2 水球“雙人像”

太空授課中航天員王亞平先制作一個大水球,并呈現出倒立人像.接著她向水球中心注入空氣形成穩定氣泡后,又可通過氣泡觀察到縮小的正立人像,如圖3(a)所示,即水球“雙人像”現象,其原理分析如下.

(a) 太空授課中水球成“雙人像”

(b) “水球”厚透鏡成像示意圖

當空氣泡大小不顯著影響水球厚透鏡成像特點時,仍可成完整的像.[7]此時水球整體可看作一個半徑為R,厚度為δ=2R的厚透鏡,設物方節點K、像方節點K′的位置坐標分別為x、x′.根據厚透鏡焦距公式可得

(1)

故

f=-f′=-2.02R.

(2)

(3)

(4)

由于像距、物距異號,故厚透鏡I是發散透鏡,主點H1、H1′在水球的球心處.厚透鏡Ⅱ與厚透鏡Ⅰ相對于中間軸對稱,也為發散透鏡,主點也在球心處重合.

由厚透鏡Ⅰ、Ⅱ組成的理想光具組存在光學間隔Δu,表示F1′到F2的距離,用d表示相對位置H1′到H2之間的距離.因H1′和H2重合,所以d=0,Δu=d-f1′+f2.[8]設光具組的物方焦距和像方焦距分別為f和f′,主點H、H′的位置分別用P、P′表示.有

(5)

(6)

2.3 毛細現象

太空授課中,中國空間站內毛細現象實驗試管中液面上升尤為明顯;而作為對照的地面試管中的液面上升卻很緩慢,甚至很難用肉眼觀察到,如圖4所示.其中可明顯觀察到太空授課中最細試管中的液面上升最快,很快到達管頂.其原理分析如圖5所示,r為細管半徑,ρ為液體密度,θ為液面與管壁的交角,p0為大氣壓強,α為液體表面張力系數,h為細管內液柱高度.

圖4 毛細現象實驗

圖5 管內液體受力分析

A點所受壓強為

pA=p0-pS.

(7)

B點所受壓強為

pB=pA+ρgh.

(8)

根據液體表面張力可知A點所受液體壓強為[9]

(9)

在太空的微重力環境中g值極小甚至可以忽略,液柱上升高度h將比其在地表大得多,因此毛細現象在太空中比在地面上也顯著得多.同時,毛細管內液面與液體是否為浸潤液體有關,毛細管插入浸潤液體中,管內液面上升,高于管外液面;毛細管插入不浸潤液體中,管內液體下降,低于管外液面.[10]

2.4 水球變“懶”現象

圖6

實際上,現實生活中用于超高層建筑的阻尼器就是基于這樣的原理.例如,位于中國第一高樓、世界第二高樓的上海中心大廈125層的“鎮樓神器”——質量達1000 t的阻尼器[如圖6(b)所示],在臺風攜強風雨來襲時其搖擺幅度明顯增大,可有效為高632 m的摩天大樓減振,以確保大樓的穩定和安全.

2.5 太空“冰雪”實驗

在太空授課中,航天員王亞平用一根小棍點在空中飄浮的透明液球上,立刻產生了奇特的現象：幾秒后液球完全變成了雪白的“冰球”.更難以置信的是,航天員還描述觸摸“冰球”是溫熱的感覺.這是因為在較高溫度水中乙酸鈉溶液存在著較大的溶解度,極易形成過飽和溶液,但只要有少許的結晶和顆粒存在,即可迅速破壞溶液的穩定狀態,導致溶液中大量結晶的析出,并釋放出大量的熱量.

太空授課中的“冰雪”實驗充分利用了中國空間站的便利條件.在太空中進行太空冰雪實驗相對較容易,而在地面進行同樣的實驗則受到諸多限制.一方面太空授課的中國空間站處于微重力環境,這使得液體在微重力環境中自然形成球狀和懸浮在空中;另一方面中國空間站可以有效避免在地面實驗中遇到的干擾因素,如濕度、微小顆粒物等因素將會對實驗的結果產生明顯影響.

2.6 水油分離實驗

太空授課中的水油分離實驗,展示了如何在太空中實現“人造重力”的過程.由于油和水不相溶,通過搖晃可以使油破碎成小滴,形成乳濁液.在地面上,水和油會自然分層,油位于上方,而水位于下方.然而,在太空授課的空間站中,水和油并不會自然分層,需要利用離心作用才能夠實現分層.水的密度較大,所以會下沉到較低的位置,而油的密度相對較小,因此會浮在水上形成分層.因此,在缺乏重力作用下,水和油無法自然分層,它們以一種混合的狀態存在.這就需要利用離心作用來模擬一定的重力效應,以實現水和油的有效分層.航天員甩手臂的離心作用提供了一種人工制造“重力場”的方法.

當然,在太空中水油不分層的特性也能帶來一些優勢.假若要制造一種合金,在空間站中可以讓不同合金在熔融狀態進行充分均勻混合,獲得理想的合金材料.這為在太空中進行合金制造提供了新的可能.

3 啟示與建議

中國太空授課中“水”系列相關實驗,充分利用太空環境與地表的差異,將水的物質形態和性能差異巧妙呈現出來,極大限度激發青少年學生強烈認知沖突和科學探究欲望,成為中國太空授課最具魅力的特色.中國太空授課中“水”系列相關實驗可為深度踐行“從生活走向物理,從物理走向社會”課程理念提供重要事實理據,也為開展物理學與日常生活、物理學與工程實踐、物理學與社會發展的“跨學科實踐”提供豐富適宜的素材性資源,[13]同時兼具濃郁的生活化實驗特征,[14]具有高教育價值的內在秉性.

與之同時,中國太空授課中“水”系列相關實驗對中學物理教學亦具有如下幾方面啟示意義.一是精彩成功的物理課堂離不開支撐深度學習的具身認知情境.具身認知理論強調身體、環境、認知3者于一體,強化身體與環境交互中體驗感知的重要性,主張認知在具身情境中的不可替代性.[15]中國太空授課中,航天員授課團隊對太空授課環節流程的精心設計、實驗資源的巧妙選取,以及航天員教師精彩演繹的講解,給廣大青少年學生帶來“沉浸式”的具身認知與太空科普.二是將遵循物理學客觀規律和發揮學生主觀能動性充分結合.通過太空授課的天宮演示實驗和地面課堂的對照實驗,促進學生在認知沖突中提升科學思維質量、開展科學探究實踐,形成深度物理觀念.三是將科學態度與責任教育在物理教學中“落地”并“生根”,實現“潤物無聲”與“大象無形”.中國空間站太空授課也是科學教育的生動實踐,能深度激發學生對太空探索的興趣同時促進學生從小樹立堅定的科學理想追求.此外,太空授課內容也是開展愛國主義教育、科學育人的寶貴實例素材,彰顯中國航天事業跨越式發展成就的同時,激發廣大青少年對祖國強國建設的自豪感和自信心,激勵更多學生矢志航天報國、投身于科學強國的建設事業.