“天宫课堂”太遥远?这几个在家也能做的小实验让孩子过足瘾

10月12日,“天宫课堂”第三课开课了!在这次太空授课中,新晋“太空教师”演示了微重力环境下毛细效应实验、水球变“懒”实验、太空趣味饮水、会调头的扳手以及植物生长研究等神奇现象,并生动讲解了实验背后的科学原理。

“天宫课堂”中的科普实验激发了广大青少年对科学的兴趣。那么在日常生活中,有哪些符合这些实验原理的亲子游戏?这些实验能带给孩子什么样的收获?对此,长清中学物理教师李怀强分享了几个亲子实验。

在空间站微重力环境下,航天员陈冬用一个小实验,展示了流体现象的天地差异。他将三根粗细不同的塑料管,同时放在水中。最细的管子内,液面飞速到达顶端,仿佛开启了“倍速模式”。

而在地球上,如果我们把细玻璃管插入水杯中,会发现管内液面缓慢上升,并逐渐高于容器内的液面,而且玻璃管内的液面还是个凹面,这就是毛细现象的一种。

原理:“太空空间站和地面出现明显的区别,原因在于太空中没有了重力的束缚,表面张力作用会更加明显,会驱动液面不断上升,最终液面会上升到管顶。”李怀强解释,这是因为液体表面类似一张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势。因此,凹液面对下面的液体施以拉力,使液体沿着管壁上升。当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体才会停止上升,并达到平衡。那么,植物茎内的运输管道——导管,就相当于植物体内极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来。生活中的砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水等,都是常见的毛细现象。

同学们在家中可以跟爸爸妈妈一起做这个实验。首先准备3根粗细不一的吸管,大小直径差距越大实验效果越明显,再准备一个汤碗,接上一碗水后滴入颜料,这样让实验效果更加明显,将3根吸管并列排成一排,用透明胶带进行固定。将吸管放入汤碗中,随后开始实验,我们会看到汤碗中的水顺着吸管往上“爬”,越细的吸管上升越快。

准备3个透明容器并排摆放,在左右两侧容器内倒上相同的水,滴入不同颜素并进行搅拌,中间容器不倒水。准备两张纸巾,折叠成纸条状,将纸条的两端一边放在有水的容器内,一边放在没有水的容器内,随后观察变化,大约半小时后,容器内的水逐渐跑到纸巾上,而随着时间的逐渐推移,最终无水的容器内,也开始有水。水利用毛细作用,“爬”过纸巾中的纤维,就像植物的水从根部运输水分到树梢叶子里。

在天宫课堂中,航天员刘洋用注射器向水球喷入空气时,水球的震动很激烈。但是,在水球内加入钢球后,以同样的力度冲击,水球的振动幅度变小了。

原理:共振现象是自然界中极为普遍的现象。在机械振动中,当策动力的频率与该物体的固有频率一致时,物体振动的振幅达到最大值,这种现象称之为共振。

原 来 ,外力施加到水球上,水会 发 生 共振。加入一枚钢球后,水球固有频率就会发生改变,相对不容易引起共振。如果在地面上的水里放一个球,水的震荡就会减缓。日常,农民伯伯挑水时,在水桶表面放一片荷叶,也是这个原理,放上荷叶的水桶则往往不容易洒出水来。

家长引导孩子做该项实验时,也可同时开展劳动教育。准备一个水盆接满水,然后端起盆,较为快速地行走,你会发现水盆的水很容易飞溅出来。随后,在水面放置一片较大面积的树叶,或放上一张A4纸,以同样速度行走,水盆内的水即便泛起涟漪,也不会四处飞溅。

如上图所示做多个双线摆,其中A、B等长,想让A振动,结果发现B的振幅最大。

实验中,航天员陈冬展示了扳手旋转翻转的现象。不同的扳手、不同的施力方式,扳手的旋转呈现不同姿态,有的还能自动“掉头”。

原理:这个实验包含一个科学原理——贾尼别科夫定理,1985年由俄罗斯宇航员弗拉基米尔·贾尼别科夫在空间站偶然发现:一个刚体绕着它转动惯量最大的主轴(第一主轴),或转动惯量最小的主轴(第三主轴)旋转时是稳定的,而绕着中间轴(第二主轴)旋转时则是不稳定的。实验中,两个扳手的旋转方式不同、质量分布不同,所以出现了不同的掉头现象。这是在失重环境下发现的奇妙现象,也是科学世界的魅力所在。

准备两个小扳手及两根绳子,分别进行两组试验。第一组,将两根绳子拴在两个小扳手同样的位置,悬空后,通过不同力度旋转扳手,观察两个扳手不同的状态。第二组,将两根绳子拴在小扳手的不同位置,悬空后,利用同样的力度旋转扳手,再观察扳手的状态差别。

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