“天宫课堂”，余音回响（下）

2022-04-25南京市玄武高级中学张军

科学大众 2022年8期

□文/南京市玄武高级中学张军

在上一期的文章中，我们解读、探讨了空间站中与重力有关的现象和实验，而那些与重力无关的现象,在空间站中和在地面上没有差别。比如,水分子依然会发生共振，所以可以使用微波炉加热食物；作用力和反作用力的规律依然适用，所以航天员可以抓住扶手前进或停下来；光的折射与反射规律不变，所以透过水球依然能看到物体的像；气压依然存在，所以可以向水球内吹空气泡；植物向光性保持不变，所以芽、枝、叶仍背向种植面向光生长；化学反应依然可以进行，所以泡腾片在水中还会冒出气泡……

水膜和表面张力

“天宫课堂”中，王亚平老师用金属圈做出了一个漂亮的水膜，然后在水膜上注水，做成了一个大水球。往水球里注入空气，又可以在水球内部做出一个球形气泡。气泡不会跑出水球，也不会在水球中爆裂。

在地面上，我们也可以做出水膜。

用金属丝弯出一个圆圈，将圆圈插入水中再取出，圆圈中间就会出现水膜。在水中加一些洗衣粉，或者滴一些洗手液、洗洁精，或者溶解一些肥皂，更容易做出水膜。如果观察的角度适中，你可以透过水膜看到对面物体的像，可以看到光在水膜表面反射形成的像，还可以看到水膜上的彩色条纹（图1）。

图1

图2

图3

我们可以在金属圈上系一根松弛的棉线，当形成水膜时，线依然松弛（图2）。但是，如果把棉线一侧的水膜捅破，棉线立刻会被另一侧的水膜拉成圆弧形（图3）。这是为什么呢？

物质是由大量分子构成的，分子间存在着相互作用的引力和斥力。棉线两侧都有水膜时，两边的水分子对棉线的引力平衡了，所以棉线的松弛状态不变。当一侧水膜破了，原先的平衡被打破，另一侧水膜分子的引力就会把棉线拉过去。而棉线被拉成圆弧形，与液体的表面张力有关。

分子间到底表现为引力还是斥力，与分子间距离有关。对于特定的物质，分子间有个适当的距离r0，等于这个距离时，引力与斥力平衡，都表现不出来。当分子间距离小于r0时，表现出斥力。我们压缩一个固体时，肉眼并没有看到固体有明显的形变，但是分子之间的距离缩小了，表现出斥力，所以固体很难被压缩。同样道理，固体也很难被拉伸，因为拉伸时分子间距离增大了，表现出引力。

在液体内部，每个分子都被周围的分子包围，因为对称，周围分子施加的作用力相互抵消了。液体表面与空气形成了分界面，空气分子对液体表面分子的吸引力，远小于液体内部分子对表面分子的吸引力，导致表面层的液体分子（一般是几个分子的厚度范围）受到垂直于表面、指向液体内部方向的合力。同时，由于表面液体分子间距离大，表现出相互的吸引力，产生表面张力，让液体的表面积趋向更小。我们可以这样形象地理解：液体表面的分子相互手拉手，使得液体表面好像蒙上了一层富有弹性的“皮肤”。

水更加特殊一些，每个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成。氧原子与氢原子通过共用电子结合，但是共用电子会更接近氧原子，导致氧原子会略微带负电，氢原子略微带正电。当两个水分子接近时，一个水分子中的氢原子会与另一个水分子中的氧原子通过电磁力相吸引，形成氢键。氢键的存在让一个水分子最多可以和另外4个水分子结合，并且那4个水分子恰好位于正四面体的顶点处（图4）。

图4

水结冰后体积增大，水的比热容大，都与氢键有关。也正是因为氢键的存在，导致水的表面张力比酒精、乙酸、苯要大得多。

棉线与水膜的质量均较小，受重力影响也小。当棉线一侧的水膜被破坏时，棉线被拉向另一侧，而且呈弧形，这是因为表面张力会让几种不同态的物体接触时面积趋向最小。表面张力也会让小水滴趋于呈现球形——体积一定的情况下，球形的表面积最小。

正是因为水的表面张力太大，所以难以用纯水吹出泡泡来。加点洗衣粉、洗洁精、肥皂水、甘油等，水的表面张力会减小，泡泡就不易破碎了。泡泡变大时，也会变薄，分子间距离变大，导致表面张力也会增大。如果在水里加点糖，可以让水膜变厚，泡泡的寿命就会更长些。

表面张力让水面富有弹性，就像“蹦床”。我们在水面放上曲别针或者硬币，水面会把曲别针和硬币托起来。仔细观察，你会看到水面发生的形变（图5）。

图5

生活中的很多现象都与表面张力有关，比如水面的涟漪、蜘蛛网上的水珠、伞面的雨水不会从织物缝隙中漏下，等等。

肥皂、油脂会减小水的表面张力。用结实的纸剪一个船形，在船尾放一块与水接触的肥皂。接触到肥皂的水面表面张力减小，造成船头部分、船尾部分水的表面张力不等，纸船就会运动起来。宽蝽、隐翅虫等在水面活动的昆虫，能通过用脚尖排放油脂的方法前进，原理与此类似。

在地球表面，重力的作用远大于表面张力。水较多时，水的表面更趋于水平，这样减小了重力势能，形状更稳定。水较少时，球形会明显一些。草叶上的露珠、荷叶上的水珠，都趋于球形（图6）。但是，由于重力的影响，这些球形也不标准。下落的雨点、水管滴下的水滴也会呈现球形，但是重力和空气阻力的影响会让雨点和水滴前端平一些、尾部细一些，整体像是被拉长了（图7）。

图6

图7

假如飘浮在空间站的失重环境中，水滴将呈现出理想的球形，因为在失重环境中，分子间的引力依然存在。王亚平老师在介绍空间站里的再生水时，从水袋里挤出了一些水，这些水没有像在地面上那样倾泻而下，而是自然而然地变成了球形，并因失重悬浮在空中。

纸花绽放与毛细现象

“天宫课堂”中，王亚平老师把一朵折纸小花贴到水膜上，纸花在水膜上竟然“绽放”了（图8）！

液体与固体接触时，会在接触位置形成一层薄薄的附着层。附着层的液体分子既被固体分子吸引，也被液体分子吸引。如果固体分子的引力大，附着层中的液体分子就会因密集表现出斥力，导致附着层更容易沿固体表面铺开，这种现象叫作浸润。如果固体分子的引力小，附着层中的液体分子会因稀疏表现出引力，让附着层发生收缩（与表面张力成因类似），不容易沿固体表面铺开，这种现象叫作不浸润。

图8

把水滴到玻璃表面，水很容易铺开，表明水对玻璃是浸润的；把水滴到石蜡表面，水很难铺开，表明水对石蜡是不浸润的。也就是说，同种液体对有些固体浸润，对有些固体不浸润，这取决于附着层中液体分子的受力情况。比如，水银对玻璃是不浸润的，对铅则是浸润的。

把液体盛放到容器中，液体对固体的浸润会造成液面贴着容器壁上升，形成凹形液面；液体对固体的不浸润会造成液面贴着容器壁下降，形成凸形液面。所以，水在玻璃量筒中呈凹形液面，水银在玻璃量筒中则呈凸形液面。

图9

容器材质与液体种类一定时，容器内径越小，浸润液体的上升现象与不浸润液体的下降现象就越明显，我们称之为毛细现象，能够发生毛细现象的管状容器就叫作毛细管（图9）。毛细管可以是直的，也可以是弯的。毛细现象的产生与表面张力及浸润现象都有关系。

纸张的主要成分是纤维素，纤维素的缝隙其实就是毛细管，毛细作用让水快速地进入纸张纤维的缝隙中。纤维的吸水膨胀使折痕逐渐舒展，呈现出“花开”效果。

毛细现象很普遍，比如粉笔吸水、毛巾吸水、纸尿裤吸水、灯芯吸油、植物用根部吸取土壤中的水分并输送到茎和叶等。干旱季节，将岩石震碎，毛细现象会让地下水从岩石内部的裂缝上升，引到地面来。用石碾子压紧土壤，可以让土壤的缝隙变成“毛细管”，地下水会被“吸”上来润湿土壤表层；而松土则会破坏毛细现象，帮助植物根部“锁水”“保水”。

有人还利用毛细现象设计了一款太空咖啡杯，把杯体由通常的圆柱形改成窄窄的尖角（图10），因为重力影响不存在了，液体可以通过毛细现象爬升到杯口，这样既能方便地喝到咖啡，又不会让液体四处乱跑。

容易吸引水分子的材料叫亲水材料，不容易吸引水分子的材料叫疏水材料。全棉毛巾就是很好的亲水材料，它很容易把水擦干，放进水中也会立即潮湿，这是因为它里面的纤维就是毛细管。所以，购买毛巾时，比较吸水性是区分化纤材质还是全棉材质的简单方法。不过，现在已有多种方法可以提高化纤材料的亲水性，比如激光处理、等离子体处理和电子射线聚合等。

图10

日常生活中，从毛巾里拧出的水会在重力作用下滴落。如果重力“消失”，挤出的水则会包围在毛巾表面，很难离开。空间站是微重力环境，湿毛巾是没办法拧干的，但可以用针筒、滴管将水“吸”走，因为大气压是存在的；也可以用手指弹击，因为力可以改变物体的运动状态；也可以将水抖落，因为惯性依然存在；还可以用纸巾将水吸走，因为毛细现象可以发挥作用——这些都与重力无关。本次“天宫课堂”中，航天员在将水膜上的纸花收起来时，是用纸巾包裹住纸花的，这样可以防止水滴四散而损坏设备，也便于水的回收再利用。

防雨衣、冲锋衣的表面材料是疏水性的，雨滴落到上面时会滑走。荷叶表面也是疏水性的，水珠可以在上面滚来滚去，但荷叶不湿。自然界很多植物的疏水性能都很强，如水稻叶、花生叶等。鸡、鸭、鹅的羽毛，蝴蝶的翅膀，蝉翼等，疏水能力也很强。疏水性对这些生物的生存具有重要意义。

超疏水材料指的是疏水能力特别强的材料，在多个领域应用广泛。比如，可以防止输油管道内壁黏附，防止天线、输电线上积雪，减少潜艇外壳的阻力，帮助皮革制品、纺织品防水、防污，等等。

解读浮力消失之谜

空间站内和重力相关的现象就与地球上迥然不同了，比如液体的浮力就不存在了。

图11

展示完水球，王亚平将水球染成了蓝色，并向其中投入半颗泡腾片。泡腾片迅速产生了大量的气泡，水球变成了气泡球，但是，这些气泡却不会浮出水面（图11）。

在地面上，浮力是如何产生的？我们以被按到了水面下方的乒乓球为例，来进行简单分析。由于水受到重力作用，而且可以流动，所以从各个方向对乒乓球产生了压力。压力的作用效果用压强来表示，水内部的压强大小与水的密度、乒乓球在水面下的深度、当地的重力加速度有关。乒乓球前后两个方向、左右两个方向所受的压力均平衡了，但是上、下方向的压力却不能平衡，水对乒乓球向上的压力大于对乒乓球向下的压力，这个压力差就是浮力。乒乓球的存在，挤占了原先水的空间，排开了一部分水。乒乓球所受的浮力大小，与被排开的水所受的重力大小相等，这就是阿基米德原理。重力的方向竖直向下，浮力的方向竖直向上，它们的方向都与水平面垂直。

但是，正如前面所分析，空间站中物体对支撑面的压力消失了，压力差自然也就不存在了，浮力消失。而且，空间站里也没有上、下的概念。这时，乒乓球在水中便不会浮起来。同样的道理，气泡在水中也不会浮起来，和悬空放在空间站中的其他位置没什么两样。

因为失重，单摆在空间站也不会往复摆动，人不能直接从杯子里喝水，膀胱也难以正确发出需不需要排空的信号。

在家里模拟水球成像

太空站中的水球成像实验就很难在地面上重现。在地面上，我们做不出悬浮在空中的标准水球。但是，利用初中的光学知识，我们可以对空间站的水球成像做一个简单分析。

光射到水球表面时，有3个去向：一部分被水吸收，一部分按光的反射规律被反射回来（水球外表面相当于凸面镜，反射将形成虚像），还有一部分遵循光的折射规律进入了水球内部。

进入水球内部的光线沿直线传播，再次到达水与空气的分界面。其中一部分遵循光的折射规律射出水球，另一部分则发生第一次反射，当然也有少部分被水吸收。水球内表面可以看作凹面镜，第一次反射可以成像。由于物体位置不同，射进水球的光线方向不同，水球内部第一次反射的光有可能在水球内部发生第二次、第三次乃至更多次的反射，而且这些光线还有部分会从水球中“钻”出去。多次反射可能成像，也可能无法形成清晰的像，因为有些光线可能聚到一点，而有些光线则是聚在一个区域，而且会聚与发散会多次发生。

透过水球的光线有些聚到一个点，有些聚在一个区域，有些发射——发散光线的反向延长线同样可以形成虚像。这样，我们从不同角度观察水球，可能看到清晰的像，可能看到模糊的像（初中物理中，不清晰的像不能算作像）。这些像有的正立，有的倒立，有的亮度大一些，有的亮度小一些。由于白色光是复色光，其中不同频率的光折射情况不同，还会发生色散现象。我们试着从不同角度看水球，有时会看到彩色光带。

彩虹的形成机理与此类似。阳光进入悬浮在空气中的小水滴内，经过一次反射、两次折射形成彩虹，经过两次折射、两次反射则形成霓虹。因此，彩虹和霓虹的高度不同，颜色的层递顺序也正好反过来。如果阳光在水滴内反射的次数更多，还会出现第三道虹、第四道虹或者更多道虹，但是由于阳光比较强烈，用肉眼难以观察到。

图12

如果在水球中间再放置一个空气泡，情况会更为复杂。在物体到水球的距离、人眼到水球的距离都适宜的情况下，我们可以同时看到倒立的像和正立的像。倒立的像是光经过水折射形成的，与凸透镜成像类似；正立的像是光经过水、空气、水形成的，与凹透镜成像类似。近视眼镜是凹透镜，我们透过镜片看到的是正立、缩小的虚像。防盗门上的“猫眼”，也是凹透镜。

在地面上，我们虽然做不出悬浮的水球，但是可以设计出类似的装置，看到类似的现象。

在烧杯里装满水，透过烧杯可以看到物体的像（图12）。这些像有反射形成的，也有折射形成的。透过烧杯观察画在纸上的箭头，当纸离得比较近时，我们看到被横向放大的像；当纸片逐渐远离，我们可以看到左右倒立的箭头的像。纸片离得越远，像越小，这与凸透镜成像类似，但是倒立情况不同。凸透镜成的倒立的像是上下、左右都倒立，而烧杯和水所成的倒立的像只有左右倒立。因为凸透镜的构造是中间厚、边缘薄，而烧杯是中间厚、两侧薄，上、下方向并没有变薄。

将一支空试管插入烧杯内的水中，这样水中间就有一个圆柱形的空气柱了。透过烧杯里的水和空气柱，我们就可以看到两个不同的箭头像（图13）。你不妨在家里试一试，改变箭头到烧杯的距离，看看像的大小、方向变化有何规律。没有烧杯，用透明的玻璃杯也行。