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“天宫课堂”第二课的实验,哪些可以在家做

2022-06-21南京市玄武高级中学张军

科学大众 2022年12期
关键词:乙酸钠纽扣空间站

□文/南京市玄武高级中学 张军

图1 供图/视觉中国

“天宫课堂”第二课里的那些实验,你都看懂了吗?哪些实验在家里也能做?本期的“张老师带你做科学”,就来尝试复制这些实验。

“冰雪”实验其实挺好做

王亚平通过几次尝试,得到了一个浮在空中的液球。用小棒在液球上点一下,球体迅速开始“结冰”,很快得到一个“冰球” (图2)。

图2

同学们已经知道,其实液球的成分是过饱和的乙酸钠溶液。我们用白醋与小苏打混合,就可以得到乙酸钠,也就是醋酸钠。乙酸钠的溶解度比较大,在20℃的情况下,100 克的水里可以溶解46.5 克乙酸钠;在100℃的情况下,100 克的水里可以溶解170 克乙酸钠。如果溶液比较均匀,里面又没有凝结核,在温度降低时,本该析出的乙酸钠就不会析出,形成过饱和溶液。过饱和溶液不稳定,遇到震动或者有凝结核介入,会迅速发生结晶,并放出热量。

我们还可以买到带3 个结晶水的三水合乙酸钠,将其溶解到烧杯内的水中并不断加热,配置成饱和溶液,然后冷却,溶液就会进入过饱和状态。这时稍微撒一点乙酸钠粉末到液面上(或者搅拌一下,或者晃动一下烧杯),你就会看到“瞬间结冰”的现象。这时看到的晶体不再是三水合乙酸钠,而是带6 个结晶水的六水合乙酸钠了。由于重力作用效果明显,在家做实验时得不到空间站中那样的“冰球”,除非将过饱和乙酸钠溶液放在球形容器里。

这个实验的网络视频很多,如果在家自己做这个实验,建议请家长陪同,并在加热时注意安全。

其实,水的凝固或沸腾也需要凝结核,气泡、尘埃、杂质等都可以作为凝结核。如果没有凝结核,水温即使降到0℃以下也不会凝固(高纯度的水甚至在-30℃以下也不凝固),会形成过冷水;如果没有凝结核,水温超过100℃也不会沸腾(1标准大气压下),会形成过热水。

用微波炉加热水,如果容器和水都很干净,极易形成过热水。与通常见到的沸腾现象不同,我们看不到水中冒气泡。当从微波炉中取出容器时,如果手抖动,或者取出后放入咖啡、茶叶,或杯体受到震动,水会瞬间爆沸,很容易把人烫伤。所以,用微波炉加热液体要算好时间。

雾是小水滴。气温下降到0℃以下,雾滴有时并不凝固,而是形成过冷水,中间混杂着没有液化的水蒸气。这时如果碰到同样低温的树枝、电线,或者遇到空气中的微粒,就会形成雾凇——过冷水发生了凝固(颗粒状),水蒸气发生了凝华(雪花状),都变成固态(图3)。

图3 供图/视觉中国

雾凇美景在东北的冬天常见,凌晨时分观赏最佳,人会觉得空气清新、环境幽静。因为雾凇形成时空气更洁净,负氧离子也会更多,而且它疏松的结构容易吸收声波。

往溶液中加入凝结核可以防止过饱和溶液的形成。比如制造蔗糖时,往溶液中加入糖晶粒,能让蔗糖尽快结晶。在加热液体时,放入瓷片充当凝结核,也可以防止液体爆沸。

任何溶液都有可能形成过饱和溶液,只是过饱和的程度不同。在测量固体物质的溶解度时,允许溶液里有少量未溶解的溶质存在,这样既能保证溶液是饱和的,还能防止过饱和溶液形成,溶解度的测量更为精确。

液滴易得,液桥难建

王亚平将两块液桥板靠拢,板上的两个水滴接触后连成一体。当液桥板被小心翼翼地拉开,中间细、两头粗的液桥就出现了。

液滴靠近相互吸引,是因为分子间存在相互作用的引力。细长的液桥不断,是因为存在表面张力(也是分子间引力形成的)。表面张力会让液体的表面积趋向最小。在地面上,我们可以用滴管、饮料瓶、吸管等挤出比较圆的水滴,但是要想得到那么长的液桥可就难了。

从传回的画面看,王亚平的液桥板是竖直放置的(当然,空间站里是没有上、下、倾斜、水平、竖直等概念的),液桥板的水滴依然能保持凸起的类球形状,但是在地面上这么做,水滴很容易下流。空间站里的液桥看上去有10 厘米长,但是我们在家做液桥,长度很难超过5 毫米,液体的自重会让液桥垮塌。因为和重力相比,表面张力实在微不足道。

我们可以做几个小实验,来体验水分子的引力或表面张力。将手掌贴在水面上,然后迅速将手掌抬起,你会看到水面被向上吸引(图4)。在硬币上滴水,可以观察到凸起的水面(图5)。将回形针放在水面上,水面可以托起回形针。将铁丝弯成小圆圈,可以从肥皂水中拉出肥皂膜。用铁丝做的“水黾”,很容易浮在水面上(图6)。也可以做个“水流打结”的小实验,在饮料瓶底扎几个靠近的小孔,倒入瓶中的水会从小孔里流出来。这时用手将几股水流拧一下,它们就会合在一起往下流,水流上能清晰地看到“打结”的痕迹(图7)。

图4

图5

图6

图7

能充当液桥板的物体也到处都是,塑料尺、橡皮擦、饮料瓶都行。同学们可以在家里尝试一下,看液桥最多能做多长。还可以在水里加一些盐或者加一些糖,比较一下液桥的长度是否有变化(图8)。再加入蜂蜜试试,如果快速拉,估计你可以短时间内得到稍微长一些的液桥。

图8

空间站里,当王亚平放开液桥板时,两个板子自动靠拢了——这也是分子间引力造成的。

仔细观察,透过液桥你还能看到对面物体的像,这是光线经过水体时发生折射形成的。

在家做一个液体分层小游戏

在空间站里,水和油可以充分混合,将瓶子晃动晃动就能做到。但是,水、油混合时貌合神离,水依然是水,油依然是油,物理性质并不改变。甩动瓶子,利用离心现象,水、油可以明显分离。

水油分离的实验,我们在家里就可以做。找一个小瓶子,分别倒入水和油,先倒或后倒不影响结果,水最终会在瓶底位置,浮在水面上方的油和水之间会形成清晰的分界面。拿着瓶子晃动起来,会看到油与水的混合,你中有我,我中有你。停止晃动后,油依然浮在水的上面。还有什么方法能将水、油混合呢?除了晃动瓶子,还可以利用离心现象。将瓶口向上放入网兜中,抡起网兜甩动起来,你会看到,本来在上方的油往水中“冲锋陷阵”,甚至占领瓶子的底部。停止甩动,油重新回到水面,仿佛一切都未发生。

离心机可以将物料分离,大量应用在食品、制药、化工、选矿等领域。医院在检查疟疾、艾滋病、肺结核等疾病时,需要将装有血液样品的试管放到离心机中,离心现象让血液分层,密度较大的红细胞会被甩到试管底部,血清跑到上层,含有病原体的液体部分则待在中间地带。

我们可以用叶光富的方法得到一个简易离心机,也可以用纽扣和细线做一个简易离心机。将线穿过纽扣上对称的两个小孔后,将线头打结做成线环,纽扣就串在了线环上。双手分别拿着线环的两端,让纽扣在线环上绕几圈,然后有节奏地向两端拽线,纽扣就会慢慢旋转起来(图9)。

图9

纽扣旋转时会导致空气振动,发出声音;转动得越快,声音的音调越高。线上会出现振动时产生的波,还会出现打结的超螺旋结构。超螺旋结构可以储存更多能量,从而让纽扣转动得越来越快。国外有科学家曾利用纽扣旋转的原理,用纸片和线做成了手拉离心机,可得到每分钟12 500 转的转速。

我们可以在家做一个液体分层小游戏。拿一个小瓶子,先倒入部分洗洁精,再倒入部分清水,最后倒入食用油。为了分层清楚,可以用色素将清水染色(不要用黄色,因为上层的油是黄色的)。3 层液体,自下而上,密度逐渐减小,秩序井然(图10)。

图10

将瓶子晃动起来,原先的分层会被破坏,从势不两立变成了鱼水一家亲(图11)。这又是为什么呢?油是有机物,水是无机物,分子结构差别很大。水是极性的,而油的极性很小。根据相似相溶原理,油在水中的溶解度为零,也就是不溶。强行搅拌,只能短暂相拥。想要长相厮守,需要一根红线来牵。表面活性剂干的就是“媒婆”的活,它既有亲油性强的分子,也有亲水性强的分子,可以架设起“友谊的桥梁”,让油可以分散到水中。洗洁精的主要成分正是表面活性剂。肥皂、洗涤剂里的主要成分也是表面活性剂,所以能洗净油迹斑斑的抹布。

图11

冰墩墩能做匀速直线运动吗

太空抛物实验中,被王亚平抛出的冰墩墩笔直地飞向叶光富。空间站内重力作用极其微弱,空气阻力也比较小,所以短时间内,冰墩墩的速度大小和运动方向都几乎不变,可以近似地看作是匀速直线运动。但是,冰墩墩是做不出真正的匀速直线运动的。牛顿第一定律中所描述的“匀速直线运动”在现实世界中不存在,因为我们找不到“不受力”的物体。

人类对“运动与力的关系”的思考由来已久,但是早期的观点往往只是推测或猜想。亚里士多德认为静止是物体的自然状态,没有力的作用,物体就不会运动,认为“力是使物体运动的原因”或者“力是维持物体运动的原因”。他还提出,如果两个物体同时掉落,重的那个先落地。今天我们知道,这些影响了人类1 300 多年的观点是错误的。从开普勒和伽利略开始,对动力学的研究逐步走向深入,伽利略、笛卡尔、惠更斯等人都有各自的贡献,为牛顿的伟大发现奠定了坚实的基础。

静止的物体不受力时会保持静止,这一点大家都能接受。那么,运动的物体不受力,又会如何运动呢?研究这个问题就用到了理想实验法。让小车以一定的初速度在水平面上沿直线运动,水平面施加的摩擦力会让小车最终停下来,速度减小到零(图12)。

图12

在毛巾表面运动,小车受到的摩擦力大,路程短,速度很快减小到零。

在棉布表面运动,小车受到的摩擦力小了一些,路程变长,速度减小到零变慢了。

在木板表面运动,小车受到的摩擦力更小,路程更长,速度减小到零变得更慢了。

如果这个趋势发展到极限情况呢?摩擦力会一直减小到零,路程会一直变长,速度将不再减小,那就是匀速直线运动了。

这就是理想实验法,在事实的基础上进行科学推理,将变化的趋势推想到极限情况。借助这种研究方法,得出了牛顿第一定律:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。也就是说,力是改变物体运动状态的原因。

类似的实验,伽利略在牛顿之前约100 年就做过,那就是著名的斜面实验。这里不再赘述,有兴趣的同学可以查阅资料做进一步了解。

刚才的理想实验中还有一个关键的问题:如何让小车每次在水平面上运动时的初速度相等呢?可以用“三同”的措施解决:同一辆小车,从同一斜面的同一高度,由静止滚下,这样在水平面上的初速度就相等了。

进一步追问:为什么不受力的作用时,静止的物体永远保持静止,而运动的物体保持匀速直线运动呢?很简单,物体自身就具有这个性质,与生俱来,叫作惯性。惯性就是运动状态不想改变的性质,实际上就是“懒”,原来没动的就想“躺平”,索性一动不动;原来运动的,既不想改变方向,也不想改变快慢。当年伽利略把这个性质叫作“自然本性”。

惯性的大小只与物体的质量有关,质量越大,惯性越大,运动状态越难以改变。所以,空车容易启动,也容易刹车;但是满载货物后,既不容易启动,也不容易刹车。航母的质量特别大,一般情况下,启动就需要几小时(图13)。

哥白尼提出日心说时,人们曾困惑不已。如果地球绕着太阳转,而且在自转,那么人跳起来后,不就没办法落到起跳点了吗?伽利略用一个著名的思想实验来解答这个问题。

假想有一艘平稳行驶的船,一个人在船舱里跳起来,仍然会落回原地。地球就好比这艘船,即使在动,跳起来的人依然会落回原地。现在我们知道,人从地面跳起时,改变的只是竖直方向的运动,水平方向的速度和起跳前相同,就是和地球一起运动的速度。

如果地球突然停止转动,那又会怎样?那相当于地球“急刹车”,所有“乘客”都将向前倾——高楼拦腰折断,海浪冲出堤岸,积雪飞离雪山,山体沿原来的运动方向滑动……后果将不堪设想。

回到冰墩墩的问题。平抛出去的冰墩墩具有一定的初速度,因为具有惯性而继续飞行,但是空气阻力会让它的速度越来越小,微重力也会对运动状态产生影响。如果空间站舱体足够长,最终会看到它落下来,完成一个曲线运动。在地面上的观察者看来,冰墩墩的运动一定也是一个变速运动。因此,我们通常所说的“匀速直线运动”其实是一种模型,在忽略次要因素的条件下可以近似地看作是匀速直线运动。用气垫导轨或磁悬浮装置,可以在实验室得到近似的匀速直线运动。初中物理中还有很多这样的模型,比如“光滑的平面”“定值电阻的阻值不变”“晶体有固定的熔点”,等等。

图13 供图/视觉中国

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