水的沸騰
——科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案案例
方案名稱：水的沸騰
方案設(shè)計(jì)人：XXX
方案摘要：在地球引力場(chǎng)內(nèi)，水沸騰時(shí)，其氣泡和液態(tài)水明顯分離。在無(wú)引力情況下，氣泡和液體可以混合，可分離成內(nèi)外、外內(nèi)或左右而存在。本實(shí)驗(yàn)使用伸縮自如的醫(yī)用注射針筒盛滿清水，內(nèi)安電阻絲，經(jīng)電池通電加熱，使水產(chǎn)生氣泡。用錄相機(jī)記錄沸騰過(guò)程，確定氣、液兩態(tài)存在狀態(tài)的真相。
水 的 沸 騰
問(wèn)題：在地面上，當(dāng)水沸騰時(shí)，在瓶底生成的蒸汽泡上升到液面，蒸汽和水明顯分離，氣泡的產(chǎn)生和與水分離的想象皆由于液體（水）內(nèi)部有壓力梯度存在。而壓力梯度是地球引力所致，也就是帕斯卡定律。當(dāng)引力場(chǎng)消失時(shí)，壓力梯度即隨之消失，這時(shí)沸騰現(xiàn)象是否仍然存在？氣泡和水是否仍然分離？需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予回答。
假設(shè)：我對(duì)上述問(wèn)題的推想是：在無(wú)引力情況下，沸騰會(huì)以下列若干可能的狀態(tài)出現(xiàn)。
1、流體的對(duì)流是由熱脹冷縮及壓力梯度兩個(gè)因素所致。因壓力梯度又起因于地球引力，故當(dāng)引力消失時(shí)，電阻絲旁因
沸騰所形成的氣體（氣泡）只能膨脹，不能不升。氣體受熱產(chǎn)生高壓，將液體推向電阻絲四周，形成內(nèi)氣外液的分布（見(jiàn)圖一）。
圖一
電阻絲四周內(nèi)氣外液的現(xiàn)象
2、氣泡在電阻絲旁形成時(shí)具有高溫和高能，勢(shì)必向四周?chē)娚�，有如電子管�?nèi)自燈絲噴出的“熱”電子。這種情況下，
可能產(chǎn)生兩種分布：
甲：因?yàn)橐后w內(nèi)部不存在壓力梯度，噴出的氣泡在液體內(nèi)自由碰撞，形成混亂狀態(tài)（也可能有的小氣泡合并）。溫度計(jì)所測(cè)得的溫度既非汽溫，又非液溫，故無(wú)法顯示所謂的“沸騰溫度”（見(jiàn)圖二）。
圖二
電阻絲四周形成氣泡和液體同時(shí)存在的混亂狀態(tài)
乙：具有高能的氣泡，沖破液體的阻力，達(dá)到容器的邊緣，形成內(nèi)液外氣的分布（見(jiàn)圖三）。
圖三
電阻絲四周形成內(nèi)液外氣的現(xiàn)象
3、如實(shí)驗(yàn)安裝位置正跨在航天飛機(jī)運(yùn)行軌道的中心線上，中線內(nèi)方受到向后的拉力，中線外方受到向前的拉力（由
于內(nèi)、中、外三部分的微重力略有不同），在內(nèi)外兩部分產(chǎn)生了不同方向的壓力梯度，于是氣泡移動(dòng)的方向隨之不同（見(jiàn)圖四）。
圖四
氣泡向壓力遞減的方向移動(dòng)
步驟：以能伸縮自如的醫(yī)用注射針筒為容器，盛滿清水，內(nèi)裝電阻絲及溫度計(jì)各一。電阻絲通電加熱期間，針筒的活塞自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持液體內(nèi)外壓力均等。筒內(nèi)所發(fā)生的一切現(xiàn)象及溫度計(jì)上所顯示的度數(shù)均由一臺(tái)自備電源的錄相機(jī)記錄。實(shí)驗(yàn)的實(shí)施分為兩步：
1、地面測(cè)試：在飛行前實(shí)施。測(cè)定電池容量，電阻絲電阻、照明及錄相機(jī)安裝角度、保險(xiǎn)裝置及實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間（估計(jì)10分鐘）。
2、飛行實(shí)驗(yàn)：記錄氣、液分離狀態(tài)受地球引力場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)中要觀察記錄的想象為“沸騰現(xiàn)象”、“氣泡形成現(xiàn)
象”及“氣液兩態(tài)界限”。上述全部設(shè)備安裝在指定的實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)。實(shí)驗(yàn)容器在天宮二號(hào)里的位置，必須正跨在它的中心線上，要航天員代辦的工作只限于打開(kāi)電鈕，但不需要關(guān)閉。電池用完后，實(shí)驗(yàn)自動(dòng)停止。
材料及設(shè)備：①醫(yī)用注射針筒（5X15厘米）；②電阻絲；③溫度計(jì)；④蓄電池；⑤透明塑料盒和防水密封膠；⑥錄相機(jī)（連同自備電源、計(jì)時(shí)器和記錄器）；⑦電鈕；⑧照明。
數(shù)據(jù)分析：①確定四種假設(shè)之一；②根據(jù)記錄時(shí)間、計(jì)算氣泡行蹤。
得出結(jié)論：1、對(duì)無(wú)引力環(huán)境內(nèi)由于溫度梯度而產(chǎn)生的流體對(duì)流運(yùn)動(dòng)有所認(rèn)識(shí)；2、為中學(xué)基礎(chǔ)物理教材補(bǔ)充“無(wú)引力情況下沸騰現(xiàn)象”的內(nèi)容；3、模擬肉眼看不見(jiàn)的電子在電子陰極管圖四 里的運(yùn)動(dòng)；4、研究熱力學(xué)中有關(guān)氣液混合狀態(tài)的新理論。
【范例簡(jiǎn)介】
液態(tài)混合物的凝固 在地面上，不同密度、凝固點(diǎn)和表面自由能的兩種液態(tài)物質(zhì)的混合物，在凝固時(shí)，由于重力的影
響，會(huì)分出層次，密度大者在下。在太空無(wú)重力環(huán)境中，表面張力占統(tǒng)治地位，凝固體還會(huì)分層嗎？凝固過(guò)程中，固液界面如何分布？本方案采用伍德合金和松香兩種物質(zhì)，按質(zhì)量1:2的比例混合，裝在實(shí)驗(yàn)容器里。由航天飛機(jī)帶入太空后，加熱至熔化，攪拌均勻，然后迅速冷卻。帶回地面后，檢測(cè)伍德合金和松香的分布情況，研究失重對(duì)物質(zhì)表面物理化學(xué)性能的影響，為創(chuàng)造新材料新工藝探路。
失重對(duì)洋蔥細(xì)胞分裂的影響 在地面上，洋蔥和其他高等植物一樣，體細(xì)胞是以有絲分裂方式增殖的。有絲分裂是一個(gè)連續(xù)而復(fù)雜的過(guò)程，中間要經(jīng)過(guò)紡錘絲和染色體等一系列的發(fā)育變化。在太空失重條件下，洋蔥有絲分裂的過(guò)程還能順利進(jìn)行嗎？如能進(jìn)行、與地面上有什么不同？洋蔥由航天飛機(jī)帶入太空后，讓其吸收水份和給于有絲分裂需要的其它條件。3—4天后，用酒精將洋蔥的發(fā)育狀態(tài)固定，帶回地面后，與地面上同樣的一組對(duì)比研究，了解失重對(duì)洋蔥細(xì)胞有絲分裂的影響和失重情況下洋蔥細(xì)胞有絲分裂的規(guī)律。
太空環(huán)境對(duì)天麻等種子發(fā)芽生長(zhǎng)的影響 天麻、砂仁、羅漢果和田七等是廣西的特產(chǎn)藥材，為發(fā)展這些名貴藥材創(chuàng)新路，將這些藥材的種子分兩組帶入太空，一組讓其在適當(dāng)?shù)臏亍穸认掳l(fā)芽生長(zhǎng)。然后均帶回地面，發(fā)芽生長(zhǎng)的一組與地面上發(fā)芽生長(zhǎng)的一組對(duì)比研究，看起有何不同。未讓其發(fā)芽的種子，保存數(shù)年后再種植，了解太空環(huán)境對(duì)這些藥物生長(zhǎng)發(fā)育有何影響。
微重力下觀察表面張力的性質(zhì) 在地面上，用密度比水小的油或密度比水大的四氯化碳分別與水混合，總是水分散油和四氯化碳。水的表面張力比油和四氯化碳都大，如果上述結(jié)果是由表面張力決定的，那么，表面張力比水大的汞與水混合時(shí)，應(yīng)該是汞分散水。但由于汞的密度比水大得多，在地面上由于重力的作用，汞很快就沉到水底，得不到穩(wěn)定的分散體系。在微重力環(huán)境中，可得到汞和水的穩(wěn)定分散體系，就可觀察表面張力是否具有這種性質(zhì)。
宇宙輻射對(duì)藥物的影響 在一個(gè)圓柱形轉(zhuǎn)軸的軸面上，安有分格的直槽，每格放一種藥物。轉(zhuǎn)軸外裝圓筒形防輻射屏
蔽，圓筒上留有與直槽同寬的開(kāi)口。當(dāng)某一直槽對(duì)準(zhǔn)開(kāi)口時(shí)，其中的藥物即接受輻射，可用感光膠片記下輻射劑量。讓轉(zhuǎn)軸按要求轉(zhuǎn)動(dòng)，使各種藥物均接收不同劑量的宇宙輻射�；氐降孛婧�，對(duì)各種藥物進(jìn)行分析，研究宇宙輻射對(duì)藥物的影響。
外層空間植物細(xì)胞的有絲分裂 在地面上，植物細(xì)胞的有絲分裂分期明顯。分裂前期，細(xì)胞兩極發(fā)出紡錘絲，逐漸形成紡錘體；分裂中期，紡錘絲牽引染色體均勻地分布在紡錘體的赤道上；分裂后期，紡錘絲收縮，兩個(gè)染色單體分離；分裂末期，細(xì)胞板規(guī)則擴(kuò)散，形成規(guī)整的細(xì)胞壁，從而形成子細(xì)胞。在太空失重條件下，上述分裂過(guò)程能否正常進(jìn)行？有哪些影響？太空的宇宙輻射如何影響植物的有絲分裂？本方案可采用洋蔥做實(shí)驗(yàn)，用冰醋酸固定后，帶回地面與地面上的一組做對(duì)比研究。
