10年中國太空授課之“水”系列實驗研究

王太軍 胡 嚴(yán) 張曉婷 趙紅艷

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

1 引言

新世紀(jì)以來中國航天飛速發(fā)展20年,不斷刷新世界紀(jì)錄,屢屢創(chuàng)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(qiáng)國建設(shè)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(xiàn).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(fā)展成就惠及全世界青少年,其中“水”相關(guān)實驗且占太空授課中實驗總數(shù)的一半以上,如表1所示.

“水”相關(guān)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(zhì),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(huán)境與地球表面的差異,水所呈現(xiàn)出的形態(tài)與性能差異變化之大、形態(tài)之豐富,能極大限度激發(fā)青少年學(xué)生強(qiáng)烈認(rèn)知沖突和科學(xué)探究欲望,故成為中國太空授課內(nèi)容的理想選擇.因此,深入探析太空授課中水相關(guān)主題實驗現(xiàn)象及其科學(xué)原理,為充分發(fā)揮科學(xué)育人、中國航天精神育人,以及強(qiáng)國建設(shè)的自信培養(yǎng)、中華民族認(rèn)同感與自豪感培養(yǎng)等提供最為直接的事實理據(jù).

2 中國太空授課中“水”系列實驗現(xiàn)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(xué)、太空“冰雪”等水相關(guān)實驗.這些實驗不僅讓我們大開眼界,也挑戰(zhàn)了我們長期生活在地表的經(jīng)驗常識,具有高度的科學(xué)育人價值,概括起來主要有以下幾方面.

2.1 表面張力現(xiàn)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(huán)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(jié)構(gòu)與液體內(nèi)部不同,表面層分子和內(nèi)部分子的受力也不同,其最終合力表現(xiàn)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(nèi)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(yuǎn)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(nèi)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(xiàn)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(shè)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(nèi)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(chǎn)生一個作用力,[5]即壓力差(稱為附加壓力,用Δp表示),使得內(nèi)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(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)中,學(xué)生對表面張力現(xiàn)象理解有一定困難,地表的液體表面張力現(xiàn)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(wěn)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(jié)構(gòu),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(xiàn)為較強(qiáng)的疏水性.這將極大加深學(xué)生對表面張力、疏水性等相關(guān)知識的具身認(rèn)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(xiàn)出倒立人像.接著她向水球中心注入空氣形成穩(wěn)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(xiàn)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(dāng)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(shè)物方節(jié)點K、像方節(jié)點K′的位置坐標(biāo)分別為x、x′.根據(jù)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(fā)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(fā)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(xué)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(shè)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(xì)現(xiàn)象

太空授課中,中國空間站內(nèi)毛細(xì)現(xiàn)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(xì)試管中的液面上升最快,很快到達(dá)管頂.其原理分析如圖5所示,r為細(xì)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(qiáng),α為液體表面張力系數(shù),h為細(xì)管內(nèi)液柱高度.

圖4 毛細(xì)現(xiàn)象實驗

圖5 管內(nèi)液體受力分析

A點所受壓強(qiáng)為

pA=p0-pS.

(7)

B點所受壓強(qiáng)為

pB=pA+ρgh.

(8)

根據(jù)液體表面張力可知A點所受液體壓強(qiáng)為[9]

(9)

在太空的微重力環(huán)境中g(shù)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(xì)現(xiàn)象在太空中比在地面上也顯著得多.同時,毛細(xì)管內(nèi)液面與液體是否為浸潤液體有關(guān),毛細(xì)管插入浸潤液體中,管內(nèi)液面上升,高于管外液面;毛細(xì)管插入不浸潤液體中,管內(nèi)液體下降,低于管外液面.[10]

2.4 水球變“懶”現(xiàn)象

圖6

實際上,現(xiàn)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(zhèn)樓神器”——質(zhì)量達(dá)1000 t的阻尼器[如圖6(b)所示],在臺風(fēng)攜強(qiáng)風(fēng)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(wěn)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(chǎn)生了奇特的現(xiàn)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?zé)岬母杏X.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(jié)晶和顆粒存在,即可迅速破壞溶液的穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致溶液中大量結(jié)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(jìn)行太空冰雪實驗相對較容易,而在地面進(jìn)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(huán)境,這使得液體在微重力環(huán)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(jié)果產(chǎn)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(xiàn)“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?qū)崿F(xiàn)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(tài)存在.這就需要利用離心作用來模擬一定的重力效應(yīng),以實現(xiàn)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(dāng)然,在太空中水油不分層的特性也能帶來一些優(yōu)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(tài)進(jìn)行充分均勻混合,獲得理想的合金材料.這為在太空中進(jìn)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(guān)實驗,充分利用太空環(huán)境與地表的差異,將水的物質(zhì)形態(tài)和性能差異巧妙呈現(xiàn)出來,極大限度激發(fā)青少年學(xué)生強(qiáng)烈認(rèn)知沖突和科學(xué)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(guān)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(jù),也為開展物理學(xué)與日常生活、物理學(xué)與工程實踐、物理學(xué)與社會發(fā)展的“跨學(xué)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(nèi)在秉性.

與之同時,中國太空授課中“水”系列相關(guān)實驗對中學(xué)物理教學(xué)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(xué)習(xí)的具身認(rèn)知情境.具身認(rèn)知理論強(qiáng)調(diào)身體、環(huán)境、認(rèn)知3者于一體,強(qiáng)化身體與環(huán)境交互中體驗感知的重要性,主張認(rèn)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(tuán)隊對太空授課環(huán)節(jié)流程的精心設(shè)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(xué)生帶來“沉浸式”的具身認(rèn)知與太空科普.二是將遵循物理學(xué)客觀規(guī)律和發(fā)揮學(xué)生主觀能動性充分結(jié)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(jìn)學(xué)生在認(rèn)知沖突中提升科學(xué)思維質(zhì)量、開展科學(xué)探究實踐,形成深度物理觀念.三是將科學(xué)態(tài)度與責(zé)任教育在物理教學(xué)中“落地”并“生根”,實現(xiàn)“潤物無聲”與“大象無形”.中國空間站太空授課也是科學(xué)教育的生動實踐,能深度激發(fā)學(xué)生對太空探索的興趣同時促進(jìn)學(xué)生從小樹立堅定的科學(xué)理想追求.此外,太空授課內(nèi)容也是開展愛國主義教育、科學(xué)育人的寶貴實例素材,彰顯中國航天事業(yè)跨越式發(fā)展成就的同時,激發(fā)廣大青少年對祖國強(qiáng)國建設(shè)的自豪感和自信心,激勵更多學(xué)生矢志航天報國、投身于科學(xué)強(qiáng)國的建設(shè)事業(yè).