2021年12月17日 星期五
复盘“天宫课堂” 遇见科学之来处
□ 科普时报记者 史 诗

    12月9日的“天宫课堂”,很多人体验了一场神奇科幻之旅,但一场60分钟的科学课显然并不解渴。

    “感觉良好乘组”的三位航天员在为我们带来这些“惊叹号”的同时,也激发出很多人的好奇心:如果在地球上重现这些太空实验,会是什么效果?还有哪些类似有趣的实验?

    12月12日,科技日报社邀请太空授课科普专家组成员陈征博士在北京市八一学校开设“天宫课堂”提高班,全面复盘科学实验,把不少人心中暂存的问号一一拉直。

    如果太空开举重运动会,举起地球不是梦!

    “畅想一下,如果我们在太空开运动会,哪个项目可以破纪录?”陈征首先发问。

    “跳高或跳远!”“标枪!”“射击!”同学们争先恐后地回答。

    “我最想破举重项目的记录,甚至想举起地球!”陈征告诉大家,在太空中,举重是比较容易实现的。虽然空间站处于微重力环境,人人身轻如燕,可同时失去了地面摩擦力提供的向前动力,因此人在太空中行走会寸步难行。

    这让许多以为在太空中可以因为身体变轻而跑得更快的同学大呼意外。

    一番互动之后,陈征拿起常平架陀螺为大家讲解。“高速旋转时,陀螺具有定轴性,不管如何转动常平架,陀螺始终保持一个方向。”陈征进一步解释,假设为陀螺仪指定一个方向,在任意时刻,我们只要对比和陀螺仪轴方向的夹角,就能确定当前方向。这就是陀螺仪导航最核心的原理。基于惯性导航系统,陀螺仪可以不受信号变化时刻工作,起到导航作用。无论是在地面、海上、空中甚至是深海、地下的平台,搭载上它都可以随时随地知道自己身在何处。

    向“喵星人”学习角动量守恒

    “天宫课堂”结束后,应该连叶光富老师自己也没想到,他已凭借“左摇右扭”出圈,成为中国站得最高的“太空模特”了。

    陈征说,太空转身实验的核心关键词叫做角动量。角动量是描述物体转动的物理量。

    这回,陈征当起了“地面模特”,站在一个可以自由旋转的转台上,在没有外力矩的情况下,上半身向左,下半身就会不由自主地向右。这是角动量守恒在生活中一个简单直观的表现。

    陈征还特别提到了猫咪落地的过程。猫咪在空中时,能把身体圈起来后再扭转伸开,过程中身体不会固定在一条直线上,在保持角动量守恒的同时完成翻身,所以猫咪始终是脚先着地。

    那么,我们如何像“喵星人”一样,在保证角动量守恒的情况下优雅转身呢?陈征亲自上阵,在转台上展示了如“自由泳”式的有趣姿势,果然转了起来!

    为了呈现一个更为简单的转身方式,陈征又拿起一个旋转的车轮,双手紧握,伸直双臂,也能轻松转起身来。

    神奇过瘾的“水”实验

    认真听讲的同学一定还记得,当王亚平老师将乒乓球放在盛有水的杯子中时,球始终不能浮起来。这是因为太空微重力条件下,液体内部压强处处相等,也就不再有上下表面压强差而产生的浮力。换言之,如果在太空中将一个铁球放在水面,它也不会沉下去。

    这次,陈征做起相同实验,乒乓球轻松浮起,验证了重力和浮力同时存在。“在空间站的微重力环境下,水是飘在空中的。因此,水杯里水的压强是一样的,放入乒乓球,力相互抵消,浮力消失。”陈征说。

    接下来,陈征又“变”出一个水槽,做出了一个长方形“泡泡”。他告诉大家,我们习惯将洗手液、洗洁精、肥皂液等加入水中制成水膜,由于这些表面活性剂能够降低水的表面张力,在太空中,水珠没有了重力的干扰,借助固水环,水便容易形成薄膜。简言之,受到内部分子的吸引,液体表面分子有被拉入内部的趋势,导致表面就像一张绷紧的橡皮膜,这种促使液体表面收缩的绷紧的力,就是表面张力。

    为了复盘“水球光学”实验,陈征用笔在纸上画出一个向左的箭头,将装水的烧杯放在纸片前面,当水漫过箭头,神奇的事情发生了,水杯里的箭头调转了方向!陈征解释道:“这个实验类似太空中的‘双重人像’,凸透镜在2倍焦距之外可以呈现倒立的实像。”

    浩瀚宇宙,有趣的远不止于此。在回答同学们的问题时,陈征说,每到夜晚你仰望星空时,大自然已经向你证明,光速是有限的;天气好的时候,人们可以看到很遥远的星星,也许是5年前的,也许是50年前的,甚至是几百万年前的……我们目之所及的恰似一部星星版的“史诗”。

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