在太空中,水是不会自己流出来的。王亚平说,“诗人李白在太空写不出飞流直下三千尺的诗句。”当航天员挤出一个小水滴,水滴便在空中悬浮。航天员还演示了普通水如何做出水膜。由于太空水的表面张力起到作用,水膜来回晃动也不会轻易破裂。往水膜上加水,水膜逐渐变厚变成了水球。航天员还用注射器将红色液体注入水球,发现液体慢慢散开,透明水球变成红色水球。
“天宫课堂”实验背后的知识点
在“天宫课堂”60分钟的授课时间里,航天员完成了在轨工作生活场景展示、太空细胞学研究实验展示、太空转身、浮力消失实验、水膜张力实验、水球光学实验、泡腾片实验和天地互动交流8个授课项目,每一项实验背后都蕴含了不同的物理知识。
太空转身 知识点:角动量
转身,这个在地面上难度系数为零的普通动作,在太空中却隐藏着物理知识。
在太空中要实现转身,一侧手臂需要画圈。身体旋转时,手臂收回旋转速度会变快。这个转身实验的核心是角动量。角动量是描述物体转动的物理量。这个试验所展现的是在微重力的环境中,航天员在不接触空间站的情况下,类似于理想状态下验证“没有外力矩,物体会处于角动量守恒”。航天员上半身向左转动时,按照角动量守衡的原则,下半身就会向右转。
当航天员伸展身体的时候,因为质量分布得离旋转轴比较远,转动惯性比较大,所以角速度就减慢,通俗地说就是转得慢了。而当把四肢收回时,转动惯性小,角速度就会增加,直观感受就是转动速度变快了。
浮力消失实验 知识点:浮力与重力伴生
在太空中,乒乓球放进水里不会浮在水面上,而是停留在水中。这是因为浮力是随重力产生的,在太空失重环境下,液体内部压强处处相等,不再有上下表面压强差,浮力几乎消失。
这项实验所展现的是浮力和重力伴生的现象。浮力来源于重力引起的液体在不同深度的压强差。当重力消失时,液体内部压强相同,浮力也就消失了。不过地球表面难以让浮力消失,这个试验很难直观地展示出来。在空间站的微重力条件下,浮力和重力之间的伴生关系就可以非常清楚地显现。
水球光学实验 知识点:凸透镜成像原理
水球中可以看到倒立的像,是凸透镜成像原理。水球中注入一个气泡,可以看到一正一反两个像。
这个实验同时展示了三个物理原理。一是,在失重环境下,水滴会在表面张力的作用下收缩成一个接近完美球体的水球,而在地面上,因为受重力影响,水滴呈现为水滴形,几乎不可能获得一个完美的水球。二是,水球可以被看成是一个凸透镜,如果你站在这个凸透镜的两倍焦距以外,就看到的就是一个倒立的实像。三是,在水球中打入一个气泡,因为太空中浮力消失,这个气泡不会飘出来,它就老老实实的待在里边。
泡腾片实验 知识点:微重力环境