“加油！向未来”的科学实验探讨

姚婧

(三亚学院，海南 三亚 572000)

1 “加油！向未来”与科学

大型科学实验节目《加油！向未来》有两季，自开播以来受到广泛的好评，这个节目里面有很多有意思的科学实验，而且这些科学现象与我们生活息息相关，很多就用到了理工科的学生的大学知识，笔者对其中的四个科学实验结合科学知识进行了探讨。

2 科学实验与探讨

(1)中国已经有了自己定位系统：北斗。在前不久的朱日和阅兵上，有很多单兵设备其实都已经植入了我们的北斗导航系统，大大提高了部队的作战能力和管理效率。演示了一种极其微小的北斗导航芯片，UFirebird UC6226。大概长是3毫米，宽是2毫米，超低功耗，它可以与国外的同类芯片相媲美，甚至超越，为更多的应用功能和使用奠定了关键的基础。未来它可以植入到更多的智能终端设备里面，我们就可以更便利地享受到我们自己的卫星导航系统。鄂尔多斯，伊金霍洛旗，草原上放牛已经不用人亲自放牛，只需要使用北斗卫星放牧系统，将系统放在牛的项圈里。牧民可以通过手机查看牛的位置，同时可以设置电子围栏，一旦牛群走出北斗规划的监控范围，手机将收到消息提醒。通过北斗卫星放牧系统，牧民几千年来的放牧生活发生了巨大变化，如今牧民在家里用手机就可以放牧，用实验证明了它具有以下放牧功能：规划牧民找到牛群位置的路径、明确牛群所在的经纬度、短报文功能也就是牧民在没有通讯信号的情况下利用卫星通道发送一百二十字以内的文字消息，而且短报文功能是北斗导航系统所独有的，即使是覆盖率很高的GPS也没有这一功能。此功能不仅在牧业，也在渔业、农业和抢险救灾情况下发挥重要作用。原因：北斗导航系统是专门为导航设计的，但在建设之初，国家实现区域性的导航服务，在这区域卫星导航系统中，附加了短报文通信功能。现在北斗一代和二代是兼容的，都支持短报文功能。但同时也用实验证明了用北斗终端打电话的功能目前还不能实现。随着技术的进步，专家们也在研究通导一体化，就是通信和导航的结合，为人类提供更便捷的服务。北斗系统对于我们国家来讲具有非常重要的战略意义，我们现在的制导系统比如导弹，军事上用的各种定位系统。如果依赖国外的导航系统，如果跟它发生冲突，那就没法用了。所以对于一个国家来讲，如果没有这样的安全的定位系统，国家的安全就会受到危害。

(2)现实生活中，火星究竟是一个怎样的存在？火星上的黑色是火山喷发的黑色的玄武岩质的东西，现在已知火星上有水，还有液态水，火星的北半球曾经有大片的海洋，跟地球正好相反。火星和地球之间的距离不断变化，最远的时候能达到4亿公里，即使地球和火星距离最近的时候，用现有的最快方式也需要六到十个月，由于大气稀薄，火星上昼夜温差极大，平均温度为零下五六十摄氏度，赤道地区白天最高温为二十多摄氏度，夜间最低温约为零下一百摄氏度[1]。火星上砂石遍布，布满了火山与干涸的河床，基本上是一颗荒漠星球。那为什么火星这样的环境，人类选择它作为移民的一个目标呢？因为太阳系里有一个宜居带，这个宜居带要离太阳不远不近，要能够允许液态水的存在，靠太阳太近，水都蒸发光了，太远又太冷了，符合这样条件的只有地球和火星两个星球。有一个电影叫《火星救援》，在火星上种土豆可能吗？用模拟的火星土壤(基本就是石头磨成碎末的成分，里面有很高的铁含量，所以是红色的)和地球的土壤种青菜，通过实验对比可以看到：开始时，火星土壤里的青菜长得更好，越到后面的时候，明显地球的青菜长得更茁壮，因为地球的土壤含有更多的养分和微生物。用特殊装置模拟火星上的沙尘环境。在透明的亚克力罩子内，铺满了与火星上的沙尘粒径大小相近的粉尘，当启动装置下方的风机时，粉尘将会被吹起，形成与日常火星上沙尘肆虐相似的景象。装置后面假设一盏灯，模拟太阳发出的白光。首先正常情况下，通过模拟可以知道火星上的落日是蓝色的。其实地球上发生沙尘暴时也是淡淡的蓝色。实际上不管火星还是地球大气的成分都是氮气分子、氧气分子、二氧化碳分子，它们虽然大小有点差别，但基本很接近，之所以呈现蓝色，还是因为沙尘暴。蓝色光被灰尘颗粒散射截面是最大的，而其他波长的光散射截面比较小，所以蓝色光散射几次就过来了，而其他波长的光被吸收掉了。所以根本原因还是灰尘颗粒的大小和哪个颜色的光最接近，就能把哪个颜色的光散射过来。

(3)中国的科学家建造了一台五百米口径球面射电望远镜，又称为“FAST”。FAST铺设四千四百五十块反射面单元，每个单元由一百块子单元组成，面积相当于三十多个足球场大小，六个馈源支撑塔，牵引六根钢索，悬空吊起射电望远镜的馈源舱，接收来自宇宙的电磁信号，2016年9月17日，FAST尝试观测，一下子就接受到了非常高信噪比的脉冲星信号。在超导超流体的这个形成的中星子的边缘，它的转动的速度可以快到接近光速，这样的转动的能量再去加速电子，就会产生电磁的脉冲，当这个电磁脉冲扫过地球的时候，就会看到我们所说的射电脉冲星。FAST的使用对发现脉冲星和在航天工程及其他领域发挥着不可替代的作用。在未来十到二十年，也将保持世界一流的科技水平。FAST能接收到的信号其水平已经超出了在它之前的射电望远镜的水平大约十倍。实际上脉冲星不是一个新的概念，上世纪六十年它就已经被发现了，随着脉冲星发现的越来越多，科学家们才搞明白原来这是一种特殊的天体现象。脉冲星的密度很大，指甲块大小的脉冲星，它的质量会有几亿吨。脉冲星的辐射集中在磁极附近的束状辐射，在高速旋转的过程当中，辐射束会不断地扫向地球，这个和灯塔很类似，海面上的灯塔转一圈，小船就会被照到一次，同理，脉冲星转一圈，我们在地球上就能接收到一次从它辐射出的电磁波脉冲[2]。脉冲星能够稳定高速地旋转，转速最快的脉冲星能够达到转一圈只要一点四个毫秒，也就是说一秒钟它最快能转七百多圈，那究竟是什么力量能够使它如此快速地自转呢？这用到了物理当中的角动量守恒定律。改变转动惯量，角速度也改变，如果要提高角速度，也就是转得快，可以减小转动惯量。

(4)关于视觉暂留的：假如有一个光的脉冲，特别短的脉冲，打到人的眼睛里面，但是我们人眼看到的觉得有光亮的时间要比原来的脉冲时间要长，这其实是由于人眼睛的工作方式本身所决定的。我们的眼睛受光激发要产生神经电信号，然后传到大脑里面看到了光，这个时间大概在0.1秒左右，称为视觉暂留。人的眼睛可以当做照相机用，快门就是我们的眼皮。那么如果做一个实验，两块面板上都有小孔，一个是旋涡形孔洞，一个是双环形孔洞，如果两块面板盖住LED发光的字，都高速旋转，哪个面板能够透过小孔看到背后的发光的字呢？答案是旋涡型孔洞的面板。事实上我们已经利用视觉暂留现象设计出非常有效的光学效果，比如简单的分离信号就获得连续的图像，再例如有的钟表显示的时间就是对运动方式的设计，其结构本身比较简单，就是一根，但是运动速度快起来时，看到的就是时间了。

3 总结

虽然这个节目第二季已经播完了，但是无论有没有第三季，科学始终在我们身边，它给老师和学生都带来了启发，只要具有一颗好奇之心，好学之心，原来我们生活中的很多现象都可以用书本中学到的很多知识进行科学解释，希望大家的科学脚步永不停歇！

[1] 赵志萍，赵阳东.火星表面环境分析[J].沈阳航空航天大学学报，2014，31(2)：28-31.

[2] 陈次星，阎玮.科学研究背景下脉冲星的形成与应用价值[J].大连大学学报，2014，35(3)：11-13.