“天宫课堂”第三课中的有趣水实验

刘玉柱

在“天宫课堂”第三课中，航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲化身“太空教师”，向广大青少年展示了中国空间站问天实验舱的基本情况和主要设施，生动演示了在微重力环境下的毛细效应、水球变“懒”、太空趣味饮水等实验，并且介绍了植物生长研究项目。

本次课堂内容丰富有趣，不少实验都与我们每天接触的水相关，蕴藏着意想不到的科学原理和实际应用。就让我们一起走进“天宫课堂”第三课，探寻背后蕴含的科学奥妙！

表面张力“大显神威”——毛细效应实验

将玻璃管插入水中，水会在玻璃管中上升一定高度，并且玻璃管越细，上升效果就越明显，这就是我们常说的毛细现象。在太空中，毛细现象又会有怎样的不同呢？

只见陈冬老师将3根粗细不同的玻璃管同时插在了装满水的培养皿中，惊奇的事情发生了！细玻璃管中的液体不断上升，速度很快，最终到达了管顶；粗一点的玻璃管中的液体上升速度稍慢，但最终也到达了管顶。这是怎么回事呢？原来都是重力搞的鬼呀！在太空中，由于缺少了重力的束缚，流体表面张力更加明显，它又一次“大显神威”，驱动液面不断上升，并最终到达管顶。

其实，毛细现象的原理十分简单，表面张力使得玻璃管內的液面像一张弹性膜，而大量分子又想要附着在玻璃管内壁上，并且液固分子间的相互作用可以扩展到整个液体，在浸润物体中，力是向上的，就会出现液面不断上升的情况。但由于重力的作用，液面的上升高度会受到限制，因此就出现了我们日常所看到的情况。如果是非浸润物体，比如在水银中插入玻璃管，那么液面会下降并最终稳定在一定高度。

毛细现象在生活中的应用其实十分广泛，大到航空器发动机的燃料箱、高空热管，小到纸巾吸水、植物吸收水分，都利用了毛细作用。同学们，你们还能想到生活中的哪些现象运用了毛细作用吗？

拖累水球的小钢球——水球变“懒”实验

在微重力环境下，刘洋老师利用注射器向水球喷射空气，可以明显地看到水球在剧烈地振动。而在水球中加入一个空心的小钢球后，再用同样的力度去冲击水球，水球竟神奇地减小了振动幅度，就像变“懒”了一样。这是为什么呢？

原来，这和水球的共振有关。共振是指物体所受驱动力的频率与该物体的固有频率相近时，物体振动幅度将会显著增大。水球的固有频率在30MHz左右，当利用注射器向水球喷射空气、施加外力时，施加的外力频率与水球的固有频率相近，因此水球容易发生共振，振动幅度较大，看起来十分“活跃”。而空心小钢球的固有频率比水球的大得多，在水球中加入空心小钢球后，使得水球和空心小钢球组成的新球体的固有频率比施加的外力频率大，很难发生共振，因此新球体再受到同等的驱动力，振动幅度就小，就像变“懒”了一样。

做完这个实验，刘洋老师布置了一个课后作业，让同学们思考水球变“懒”在生活中有哪些应用。共振现象其实在我们生活中非常常见，古时候的人们就发明了各种各样的共鸣器。在《墨子·备穴》中就有这样的记载：当时各诸侯国交战时，都会利用坚固的城墙进行防守，进攻方为了攻破城墙，会采取挖地道的方法，防守方为了侦察对手有没有挖地道，就发明了共鸣器。这种共鸣器是一个容量大约为80升的陶瓮，瓮口还蒙上了皮革。人们把陶瓮放在离城墙不远的深坑里，选一个听觉灵敏的人伏在瓮口上静听。如果瓮里发出“嗡嗡”的声音，人们就能知道有敌人在挖地道，而且还可以根据瓮里发出声音的大小、粗细、长短等特征，判断敌人所在的方位和距离。可见，中国古人很早就发现了声音共振的现象，并将它应用于实践之中。但不是所有的共振都是有利的，例如在冰山雪峰间吼叫，将会引起空气振动，很有可能会与部分雪层发生共振，从而引起雪崩。可见，共振具有两重性，我们既要合理利用共振为人类造福，又要防止共振给人类的生产、生活带来危害。

用两米长的饮水管喝水——太空趣味饮水实验

用两米长的饮水管能喝到水吗？

刘洋老师用行动告诉我们：能！

在全世界观众的共同见证下，刘洋老师在问天实验舱内通过两米长的饮水管，轻轻松松地喝到了袋子里的果汁。而地面课堂的小朋友们，拼尽了全力却一口也没有喝到。

为什么在地面上，吸管越长就越难喝到水呢？这是由于压强的原因，吸管内液体的压强=液体密度×重力加速度×液面竖直高度，当我们使用长吸管喝水时，液柱高度越高，吸管内液体的压强就越大，需要的吮吸力也就越大。如果吸管内的液体压强大于我们的最大吮吸力，那么我们就无法通过这根吸管喝到杯子里的水。而在问天实验舱内，因为处于微重力环境条件下，有效重力加速度几乎为零，饮水管内的液体也几乎不存在压强，因此刘洋老师能够很轻松地通过两米长的饮水管喝到袋子里的果汁。

除了这3个与水有关的实验，航天员老师还利用空间站最常用的工具“T”字扳手展示了神奇的贾尼别科夫效应，还向同学们介绍了第一次用于太空授课的问天实验舱，以及空间站里的植物生长研究项目。这一期的“天宫课堂”，是科学与太空的相互碰撞，是知识和奇妙的完美结合，更好地让同学们了解了太空，了解了在太空开展的研究实验，从而激励青少年踊跃投身到祖国的科技事业中。

天宫问答

太空中能看到哪些地球颜色

蔡旭哲老师回答道：“当地球有太阳照射的时候，我们能看到蔚蓝的海洋、黄绿相间的陆地、积雪的山脉和大片黄色的沙漠，还能看到飘浮的片片云彩。没有太阳照射的地球也非常漂亮，我们能看到城市的点点灯火。如果问我觉得最美的颜色是什么，我最喜欢地球外圈的大气光辉，它在地球边缘是彩色的，有时是金色的，有时是蓝色的，有时是紫色的，虽然看了很多次，但是每次都觉得非常漂亮、非常震撼。”

蔡旭哲老师的回答尽显中国航天人的浪漫，勾起了我们的无限遐想。太空中的一切是那么令人向往，真想有机会也能登上太空站，去看看蔡旭哲老师眼中的地球是什么样的。