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本次天宫课堂第三课是中国航天员首次在问天实验舱内进行的授课 , 神舟十四号飞行乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲面向广大青少年进行太空授课 。 这次的授课精彩纷呈 , 让人印象深刻 。
要理解这些授课内容及其背后的科学知识 , 我们就要首先了解一下有关失重和完全失重的知识!
在中学物理知识中 , 关于失重是这样描述的:
失重;就是指物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的情况!此时物体有向下的加速度 。
完全失重:就是物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)变为零的情况!此时物体的重力加速度完全等于向下的加速度 。
完全失重;正是在空间站上的人和物体能漂浮起来的原因!当人与舱内物体之间没有内部的压力时 , 人当然就漂浮起来了 , 在实验舱内所做的各种科学实验之所以与地面上的都有不同表现 , 也主要是因此而产生的 。
需要明白的是:此时 , 虽然空间站以及物体、人都处于完全失重状态 , 乍看似乎人与物体都不再受重力了 , 但是实际上 , 由于整个空间站都在围绕着地球做圆周运动 , 其向心力正是由其所受重力或者说万有引力所提供的的!也就是说此时舱体和舱内所有人以及物体都依然受到重力作用 , 此重力大小正好等于万有引力!
在本次天宫课堂中 , 3名航天员在中国空间站问天实验舱内介绍展示了工作生活场景 , 我们会发现在航天员的脚底下 , 有很多把手 , 航天员们用手攥住这些把手或者把脚钻进去 , 从而获得动力向前运动或者固定住身体状态 , 防止身体飘起来 。 航天员向我们介绍了此次的问天实验舱 , 里面组装了生命生态实验柜、生物技术实验柜等各个科学实验柜 , 还有科学手套箱、低温存储柜等科学实验设施 。 科学手套箱为我们提供了一个密闭洁净的操作空间 , 让我们的实验更加便捷可控 , 未来问天舱内还将安装一台灵巧机械臂和一套显微操作系统 , 在它们的共同配合下 , 就可以给细胞做手术、穿刺 , 操作精度可以达到5微米 。
接着 , 航天员给我们展示了完全失重环境下的毛细效应实验、水球变懒实验、太空趣味饮水实验、会掉头的扳手实验以及植物生长研究项目介绍 , 并与地面课堂进行了互动交流 。
实际上 , 这次航天员们所做的实验 , 很多都能在地球上进行 , 但是在太空中实验现象会发生新的变化 。 从而会从另一个角度验证相关科学原理 。
科学实验:毛细效应现象:
航天员陈冬向我们展示了毛细效应现象 , 陈冬用三根粗细不同的塑料管放进黄色液体中 , 那根最细的塑料管液体上升的速度非常快、而且最先到达管口!此现象不但比在地面上做的同种实验更明显而且更快速 。
其物理原理是:所谓的毛细现象 , 是指液体在细管状物体内侧由于内聚力与附着力的差异克服地心引力而上升的现象 。 中学物理对此的解释是浸润液体在细管里升高的现象和不浸润液体在细管里降低的现象 , 叫做毛细现象 。 管的内径越细 , 毛细现象越明显 。
其实毛细现象是一种在我们的生活中非常普遍的物理现象 。 比如毛巾可以吸水、植物根茎吸水 , 大树就是依靠根部极细的毛细管把水分和养分向上输送到树梢的 。 在太空中 , 由于完全失重 , 相当于没有了重力的限制 , 在液体表面张力作用下毛细现象更加明显 , 于是能升至细管顶部!这就是航天员陈冬所做的实验中液体能够快速升至管顶的原因 , 而在地面上 , 当液体受到向上张力跟液柱所受重力相等时 , 液体就会停止上升 , 从而达到平衡 , 因此在地面上的这个实验中 , 液体上升很慢 , 并且上升一段后就会停止了 。 但是太空中却几乎没有了重力的限制 。 这种看似简单的现象 , 其实具体的物理原理还是相当复杂的 , 科学家们通过研究这种看似简单的物理现象 , 然后去解决遇到的各种问题 , 比如航空器发动机的燃料储箱、高空热管都利用了毛细作用 。
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