“加油！向未來”的科學(xué)實驗探討

姚婧

(三亞學(xué)院，海南 三亞 572000)

1 “加油！向未來”與科學(xué)

大型科學(xué)實驗節(jié)目《加油！向未來》有兩季，自開播以來受到廣泛的好評，這個節(jié)目里面有很多有意思的科學(xué)實驗，而且這些科學(xué)現(xiàn)象與我們生活息息相關(guān)，很多就用到了理工科的學(xué)生的大學(xué)知識，筆者對其中的四個科學(xué)實驗結(jié)合科學(xué)知識進行了探討。

2 科學(xué)實驗與探討

(1)中國已經(jīng)有了自己定位系統(tǒng)：北斗。在前不久的朱日和閱兵上，有很多單兵設(shè)備其實都已經(jīng)植入了我們的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，大大提高了部隊的作戰(zhàn)能力和管理效率。演示了一種極其微小的北斗導(dǎo)航芯片，UFirebird UC6226。大概長是3毫米，寬是2毫米，超低功耗，它可以與國外的同類芯片相媲美，甚至超越，為更多的應(yīng)用功能和使用奠定了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。未來它可以植入到更多的智能終端設(shè)備里面，我們就可以更便利地享受到我們自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。鄂爾多斯，伊金霍洛旗，草原上放牛已經(jīng)不用人親自放牛，只需要使用北斗衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，將系統(tǒng)放在牛的項圈里。牧民可以通過手機查看牛的位置，同時可以設(shè)置電子圍欄，一旦牛群走出北斗規(guī)劃的監(jiān)控范圍，手機將收到消息提醒。通過北斗衛(wèi)星放牧系統(tǒng)，牧民幾千年來的放牧生活發(fā)生了巨大變化，如今牧民在家里用手機就可以放牧，用實驗證明了它具有以下放牧功能：規(guī)劃牧民找到牛群位置的路徑、明確牛群所在的經(jīng)緯度、短報文功能也就是牧民在沒有通訊信號的情況下利用衛(wèi)星通道發(fā)送一百二十字以內(nèi)的文字消息，而且短報文功能是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)所獨有的，即使是覆蓋率很高的GPS也沒有這一功能。此功能不僅在牧業(yè)，也在漁業(yè)、農(nóng)業(yè)和搶險救災(zāi)情況下發(fā)揮重要作用。原因：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是專門為導(dǎo)航設(shè)計的，但在建設(shè)之初，國家實現(xiàn)區(qū)域性的導(dǎo)航服務(wù)，在這區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，附加了短報文通信功能。現(xiàn)在北斗一代和二代是兼容的，都支持短報文功能。但同時也用實驗證明了用北斗終端打電話的功能目前還不能實現(xiàn)。隨著技術(shù)的進步，專家們也在研究通導(dǎo)一體化，就是通信和導(dǎo)航的結(jié)合，為人類提供更便捷的服務(wù)。北斗系統(tǒng)對于我們國家來講具有非常重要的戰(zhàn)略意義，我們現(xiàn)在的制導(dǎo)系統(tǒng)比如導(dǎo)彈，軍事上用的各種定位系統(tǒng)。如果依賴國外的導(dǎo)航系統(tǒng)，如果跟它發(fā)生沖突，那就沒法用了。所以對于一個國家來講，如果沒有這樣的安全的定位系統(tǒng)，國家的安全就會受到危害。

(2)現(xiàn)實生活中，火星究竟是一個怎樣的存在？火星上的黑色是火山噴發(fā)的黑色的玄武巖質(zhì)的東西，現(xiàn)在已知火星上有水，還有液態(tài)水，火星的北半球曾經(jīng)有大片的海洋，跟地球正好相反。火星和地球之間的距離不斷變化，最遠(yuǎn)的時候能達(dá)到4億公里，即使地球和火星距離最近的時候，用現(xiàn)有的最快方式也需要六到十個月，由于大氣稀薄，火星上晝夜溫差極大，平均溫度為零下五六十?dāng)z氏度，赤道地區(qū)白天最高溫為二十多攝氏度，夜間最低溫約為零下一百攝氏度[1]。火星上砂石遍布，布滿了火山與干涸的河床，基本上是一顆荒漠星球。那為什么火星這樣的環(huán)境，人類選擇它作為移民的一個目標(biāo)呢？因為太陽系里有一個宜居帶，這個宜居帶要離太陽不遠(yuǎn)不近，要能夠允許液態(tài)水的存在，靠太陽太近，水都蒸發(fā)光了，太遠(yuǎn)又太冷了，符合這樣條件的只有地球和火星兩個星球。有一個電影叫《火星救援》，在火星上種土豆可能嗎？用模擬的火星土壤(基本就是石頭磨成碎末的成分，里面有很高的鐵含量，所以是紅色的)和地球的土壤種青菜，通過實驗對比可以看到：開始時，火星土壤里的青菜長得更好，越到后面的時候，明顯地球的青菜長得更茁壯，因為地球的土壤含有更多的養(yǎng)分和微生物。用特殊裝置模擬火星上的沙塵環(huán)境。在透明的亞克力罩子內(nèi)，鋪滿了與火星上的沙塵粒徑大小相近的粉塵，當(dāng)啟動裝置下方的風(fēng)機時，粉塵將會被吹起，形成與日常火星上沙塵肆虐相似的景象。裝置后面假設(shè)一盞燈，模擬太陽發(fā)出的白光。首先正常情況下，通過模擬可以知道火星上的落日是藍(lán)色的。其實地球上發(fā)生沙塵暴時也是淡淡的藍(lán)色。實際上不管火星還是地球大氣的成分都是氮氣分子、氧氣分子、二氧化碳分子，它們雖然大小有點差別，但基本很接近，之所以呈現(xiàn)藍(lán)色，還是因為沙塵暴。藍(lán)色光被灰塵顆粒散射截面是最大的，而其他波長的光散射截面比較小，所以藍(lán)色光散射幾次就過來了，而其他波長的光被吸收掉了。所以根本原因還是灰塵顆粒的大小和哪個顏色的光最接近，就能把哪個顏色的光散射過來。

(3)中國的科學(xué)家建造了一臺五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，又稱為“FAST”。FAST鋪設(shè)四千四百五十塊反射面單元，每個單元由一百塊子單元組成，面積相當(dāng)于三十多個足球場大小，六個饋源支撐塔，牽引六根鋼索，懸空吊起射電望遠(yuǎn)鏡的饋源艙，接收來自宇宙的電磁信號，2016年9月17日，F(xiàn)AST嘗試觀測，一下子就接受到了非常高信噪比的脈沖星信號。在超導(dǎo)超流體的這個形成的中星子的邊緣，它的轉(zhuǎn)動的速度可以快到接近光速，這樣的轉(zhuǎn)動的能量再去加速電子，就會產(chǎn)生電磁的脈沖，當(dāng)這個電磁脈沖掃過地球的時候，就會看到我們所說的射電脈沖星。FAST的使用對發(fā)現(xiàn)脈沖星和在航天工程及其他領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。在未來十到二十年，也將保持世界一流的科技水平。FAST能接收到的信號其水平已經(jīng)超出了在它之前的射電望遠(yuǎn)鏡的水平大約十倍。實際上脈沖星不是一個新的概念，上世紀(jì)六十年它就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，隨著脈沖星發(fā)現(xiàn)的越來越多，科學(xué)家們才搞明白原來這是一種特殊的天體現(xiàn)象。脈沖星的密度很大，指甲塊大小的脈沖星，它的質(zhì)量會有幾億噸。脈沖星的輻射集中在磁極附近的束狀輻射，在高速旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，輻射束會不斷地掃向地球，這個和燈塔很類似，海面上的燈塔轉(zhuǎn)一圈，小船就會被照到一次，同理，脈沖星轉(zhuǎn)一圈，我們在地球上就能接收到一次從它輻射出的電磁波脈沖[2]。脈沖星能夠穩(wěn)定高速地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速最快的脈沖星能夠達(dá)到轉(zhuǎn)一圈只要一點四個毫秒，也就是說一秒鐘它最快能轉(zhuǎn)七百多圈，那究竟是什么力量能夠使它如此快速地自轉(zhuǎn)呢？這用到了物理當(dāng)中的角動量守恒定律。改變轉(zhuǎn)動慣量，角速度也改變，如果要提高角速度，也就是轉(zhuǎn)得快，可以減小轉(zhuǎn)動慣量。

(4)關(guān)于視覺暫留的：假如有一個光的脈沖，特別短的脈沖，打到人的眼睛里面，但是我們?nèi)搜劭吹降挠X得有光亮的時間要比原來的脈沖時間要長，這其實是由于人眼睛的工作方式本身所決定的。我們的眼睛受光激發(fā)要產(chǎn)生神經(jīng)電信號，然后傳到大腦里面看到了光，這個時間大概在0.1秒左右，稱為視覺暫留。人的眼睛可以當(dāng)做照相機用，快門就是我們的眼皮。那么如果做一個實驗，兩塊面板上都有小孔，一個是旋渦形孔洞，一個是雙環(huán)形孔洞，如果兩塊面板蓋住LED發(fā)光的字，都高速旋轉(zhuǎn)，哪個面板能夠透過小孔看到背后的發(fā)光的字呢？答案是旋渦型孔洞的面板。事實上我們已經(jīng)利用視覺暫留現(xiàn)象設(shè)計出非常有效的光學(xué)效果，比如簡單的分離信號就獲得連續(xù)的圖像，再例如有的鐘表顯示的時間就是對運動方式的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)本身比較簡單，就是一根，但是運動速度快起來時，看到的就是時間了。

3 總結(jié)

雖然這個節(jié)目第二季已經(jīng)播完了，但是無論有沒有第三季，科學(xué)始終在我們身邊，它給老師和學(xué)生都帶來了啟發(fā)，只要具有一顆好奇之心，好學(xué)之心，原來我們生活中的很多現(xiàn)象都可以用書本中學(xué)到的很多知識進行科學(xué)解釋，希望大家的科學(xué)腳步永不停歇！

[1] 趙志萍，趙陽東.火星表面環(huán)境分析[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，31(2)：28-31.

[2] 陳次星，閻瑋.科學(xué)研究背景下脈沖星的形成與應(yīng)用價值[J].大連大學(xué)學(xué)報，2014，35(3)：11-13.