10年中国太空授课之“水”系列实验研究

王太军 胡 严 张晓婷 赵红艳

(1. 西北师范大学教师教育学院物理教育研究所,甘肃 兰州 730070; 2. 西北师范大学教育科学学院,甘肃 兰州 730070)

1 引言

新世纪以来中国航天飞速发展20年,不断刷新世界纪录,屡屡创造世界奇迹.先有2003年中国航天员杨利伟首入太空,而后“嫦娥”揽月、“北斗”指路、“天问”探火、“羲和”逐日,以及“天和”遨游星辰.时至今日,自主建造、独立运行的中国空间站已全面建成.中国航天不仅成为强国建设中一张靓丽的国家名片,而且还为全世界科普教育做出了卓著贡献.自2013年中国航天员王亚平首次太空开讲,10年来中国航天员乘组已开展5次精彩绝伦的太空授课,将中国载人航天科技发展成就惠及全世界青少年,其中“水”相关实验且占太空授课中实验总数的一半以上,如表1所示.

“水”相关实验在太空授课中频频出镜,深受航天员青睐,一方面是由于水是生命之源,是我们赖以生存的基本物质,在生活中最为常见且便于获取;另一方面,由于太空微重力环境与地球表面的差异,水所呈现出的形态与性能差异变化之大、形态之丰富,能极大限度激发青少年学生强烈认知冲突和科学探究欲望,故成为中国太空授课内容的理想选择.因此,深入探析太空授课中水相关主题实验现象及其科学原理,为充分发挥科学育人、中国航天精神育人,以及强国建设的自信培养、中华民族认同感与自豪感培养等提供最为直接的事实理据.

2 中国太空授课中“水”系列实验现象及原理

10年来5次中国太空授课展示了如水膜、水球光学、太空“冰雪”等水相关实验.这些实验不仅让我们大开眼界,也挑战了我们长期生活在地表的经验常识,具有高度的科学育人价值,概括起来主要有以下几方面.

2.1 表面张力现象

在太空授课中,水滴、水球都几乎呈完美的球状,是由于太空中微重力环境和液体表面张力作用共同影响.在液体和气体的分界处,形成液体层跟气体接触的表面层,[1]其微观结构与液体内部不同,表面层分子和内部分子的受力也不同,其最终合力表现为在分界面使得液体表面绷紧.[2]具体而言,如图1所示,液体内部分子A受到周围分子的引力是对称的,彼此平衡;而表层分子B则与A不同,液体分子对它的引力远大于分界面上方的气体分子对它的引力,最终其所受的合力垂直于液面而指向液体内部.[3]同时,表面层分子具有较高的表面能,具有自动缩小表面积来减小表面能的倾向,这种倾向在液体表面就表现为表面张力.[4]

图1 液体分子受力示意图

以表面层为液体和空气接触情形为例.设在液面上有一微小面积元AB,AB以外的表面对AB面有表面张力的作用,液体会受到内部压力和外部空气带来的压力,为了维持液面的平衡,表面张力会产生一个作用力,[5]即压力差(称为附加压力,用Δp表示),使得内外压力之间平衡,则有p=Δp+p0,如图2所示.

图2 弯曲液面附加压力示意图

在当前中学物理教学中,学生对表面张力现象理解有一定困难,地表的液体表面张力现象并没有太空授课中的显著,太空授课中“液桥”实验便是如此.同时,太空“乒乓球”实验更显精彩,航天员挥起用毛巾包裹的乒乓球拍,轻轻击打水球,只见水球碰到毛巾表面后,不仅没有破裂,也没有被吸收,反而像乒乓球一样被弹开了.水球被“弹开”除了表面张力使水球能够保持相对稳定不易破裂以外,还因为毛巾表面存在许多类似于荷叶表面的绒毛,具有特殊的微纳结构,可以“捕获”空气,形成“空气膜”,使水球与毛巾表面的接触面积减小,接触角变大,滚动角减小,因此黏附力也就减小,表现为较强的疏水性.这将极大加深学生对表面张力、疏水性等相关知识的具身认知.

2.2 水球“双人像”

太空授课中航天员王亚平先制作一个大水球,并呈现出倒立人像.接着她向水球中心注入空气形成稳定气泡后,又可通过气泡观察到缩小的正立人像,如图3(a)所示,即水球“双人像”现象,其原理分析如下.

(a) 太空授课中水球成“双人像”

(b) “水球”厚透镜成像示意图

当空气泡大小不显著影响水球厚透镜成像特点时,仍可成完整的像.[7]此时水球整体可看作一个半径为R,厚度为δ=2R的厚透镜,设物方节点K、像方节点K′的位置坐标分别为x、x′.根据厚透镜焦距公式可得

(1)

故

f=-f′=-2.02R.

(2)

(3)

(4)

由于像距、物距异号,故厚透镜I是发散透镜,主点H1、H1′在水球的球心处.厚透镜Ⅱ与厚透镜Ⅰ相对于中间轴对称,也为发散透镜,主点也在球心处重合.

由厚透镜Ⅰ、Ⅱ组成的理想光具组存在光学间隔Δu,表示F1′到F2的距离,用d表示相对位置H1′到H2之间的距离.因H1′和H2重合,所以d=0,Δu=d-f1′+f2.[8]设光具组的物方焦距和像方焦距分别为f和f′,主点H、H′的位置分别用P、P′表示.有

(5)

(6)

2.3 毛细现象

太空授课中,中国空间站内毛细现象实验试管中液面上升尤为明显;而作为对照的地面试管中的液面上升却很缓慢,甚至很难用肉眼观察到,如图4所示.其中可明显观察到太空授课中最细试管中的液面上升最快,很快到达管顶.其原理分析如图5所示,r为细管半径,ρ为液体密度,θ为液面与管壁的交角,p0为大气压强,α为液体表面张力系数,h为细管内液柱高度.

图4 毛细现象实验

图5 管内液体受力分析

A点所受压强为

pA=p0-pS.

(7)

B点所受压强为

pB=pA+ρgh.

(8)

根据液体表面张力可知A点所受液体压强为[9]

(9)

在太空的微重力环境中g值极小甚至可以忽略,液柱上升高度h将比其在地表大得多,因此毛细现象在太空中比在地面上也显著得多.同时,毛细管内液面与液体是否为浸润液体有关,毛细管插入浸润液体中,管内液面上升,高于管外液面;毛细管插入不浸润液体中,管内液体下降,低于管外液面.[10]

2.4 水球变“懒”现象

图6

实际上,现实生活中用于超高层建筑的阻尼器就是基于这样的原理.例如,位于中国第一高楼、世界第二高楼的上海中心大厦125层的“镇楼神器”——质量达1000 t的阻尼器[如图6(b)所示],在台风携强风雨来袭时其摇摆幅度明显增大,可有效为高632 m的摩天大楼减振,以确保大楼的稳定和安全.

2.5 太空“冰雪”实验

在太空授课中,航天员王亚平用一根小棍点在空中飘浮的透明液球上,立刻产生了奇特的现象：几秒后液球完全变成了雪白的“冰球”.更难以置信的是,航天员还描述触摸“冰球”是温热的感觉.这是因为在较高温度水中乙酸钠溶液存在着较大的溶解度,极易形成过饱和溶液,但只要有少许的结晶和颗粒存在,即可迅速破坏溶液的稳定状态,导致溶液中大量结晶的析出,并释放出大量的热量.

太空授课中的“冰雪”实验充分利用了中国空间站的便利条件.在太空中进行太空冰雪实验相对较容易,而在地面进行同样的实验则受到诸多限制.一方面太空授课的中国空间站处于微重力环境,这使得液体在微重力环境中自然形成球状和悬浮在空中;另一方面中国空间站可以有效避免在地面实验中遇到的干扰因素,如湿度、微小颗粒物等因素将会对实验的结果产生明显影响.

2.6 水油分离实验

太空授课中的水油分离实验,展示了如何在太空中实现“人造重力”的过程.由于油和水不相溶,通过摇晃可以使油破碎成小滴,形成乳浊液.在地面上,水和油会自然分层,油位于上方,而水位于下方.然而,在太空授课的空间站中,水和油并不会自然分层,需要利用离心作用才能够实现分层.水的密度较大,所以会下沉到较低的位置,而油的密度相对较小,因此会浮在水上形成分层.因此,在缺乏重力作用下,水和油无法自然分层,它们以一种混合的状态存在.这就需要利用离心作用来模拟一定的重力效应,以实现水和油的有效分层.航天员甩手臂的离心作用提供了一种人工制造“重力场”的方法.

当然,在太空中水油不分层的特性也能带来一些优势.假若要制造一种合金,在空间站中可以让不同合金在熔融状态进行充分均匀混合,获得理想的合金材料.这为在太空中进行合金制造提供了新的可能.

3 启示与建议

中国太空授课中“水”系列相关实验,充分利用太空环境与地表的差异,将水的物质形态和性能差异巧妙呈现出来,极大限度激发青少年学生强烈认知冲突和科学探究欲望,成为中国太空授课最具魅力的特色.中国太空授课中“水”系列相关实验可为深度践行“从生活走向物理,从物理走向社会”课程理念提供重要事实理据,也为开展物理学与日常生活、物理学与工程实践、物理学与社会发展的“跨学科实践”提供丰富适宜的素材性资源,[13]同时兼具浓郁的生活化实验特征,[14]具有高教育价值的内在秉性.

与之同时,中国太空授课中“水”系列相关实验对中学物理教学亦具有如下几方面启示意义.一是精彩成功的物理课堂离不开支撑深度学习的具身认知情境.具身认知理论强调身体、环境、认知3者于一体,强化身体与环境交互中体验感知的重要性,主张认知在具身情境中的不可替代性.[15]中国太空授课中,航天员授课团队对太空授课环节流程的精心设计、实验资源的巧妙选取,以及航天员教师精彩演绎的讲解,给广大青少年学生带来“沉浸式”的具身认知与太空科普.二是将遵循物理学客观规律和发挥学生主观能动性充分结合.通过太空授课的天宫演示实验和地面课堂的对照实验,促进学生在认知冲突中提升科学思维质量、开展科学探究实践,形成深度物理观念.三是将科学态度与责任教育在物理教学中“落地”并“生根”,实现“润物无声”与“大象无形”.中国空间站太空授课也是科学教育的生动实践,能深度激发学生对太空探索的兴趣同时促进学生从小树立坚定的科学理想追求.此外,太空授课内容也是开展爱国主义教育、科学育人的宝贵实例素材,彰显中国航天事业跨越式发展成就的同时,激发广大青少年对祖国强国建设的自豪感和自信心,激励更多学生矢志航天报国、投身于科学强国的建设事业.