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如何撰写空间站科学实验方案

任何一项设计方案开展之前,都应查阅资料,了解相关知识点。

 

一个好的实验方案构思出来后,还要用简洁的语言准确地表达出来。其具体内容应包括以下几方面:

 

一、方案摘要

 

把方案的要点浓缩成300字以内的短文。说明问题所在、解决问题的方法、步骤及其所用设备等。

 

二、方案正文要说清以下几个问题

 

(一)提出问题和假设:以精炼的语言提出你的实验想要发现或解决什么问题。即通过地面的实验和观察,你已经发现了什么问题,并设想在太空中会出现什么情况。通过实验,要在太空中证实或否定何种假设。

 

(二)解决问题的方法和步骤:说明用什么具体方法、步骤和控制条件完成你的实验,以便在太空中证实或否定你提出的假设。建议实验在一个相对密闭的环境中,实验结果对外界环境不会有影响,设备要简单可靠,步骤要从简;

 

(三)耗材与设备:详列完成实验需用哪些材料和设备,以及它们的重量尺寸和特性。最好有附图,附图不要求达到工程设计图的精度,只要求画出粗略的原理图或示意图。优先考虑尺寸小、重量轻的材料和设备。

 

(四)数据分析:简述如何分析实验所生成的数据,如何判断实验的成功与失败;

 

(五)得出结论:说明此实验有何实用价值或科学意义。

 

三、检查与修改

 

完成方案初稿后,最好请别人审读一遍,如果别人也能像你一样理解和表达其中的含义,说明此方案写得比较好;如果初稿不能让人满意,最好认真修改,然后再请第三者审读,直到自己认为满意为止。在填表前,还要请指导老师仔细审核,并进行必要的修改和补充。

 

下面以“天宫二号”上开展《水的沸腾》实验方案为例,展示完整的实验方案的撰写方式,供老师和同学们参考。

 

方案名称:水的沸腾

 

方案设计人:×××

 

方案摘要:在地球引力场内,水沸腾时,其气泡和液态水明显分离。在无引力情况下,气泡和液体可以混合,可分离成内外、外内或左右而存在。本实验使用伸缩自如的医用注射针筒盛满清水,内安电阻丝,经电池通电加热,使水产生气泡。用录像机记录沸腾过程,确定气、液两态存在状态的真相。

 

提出问题:在地面上,当水沸腾时,在瓶底生成的蒸汽泡上升到液面,蒸汽和水明显分离,气泡的产生和与水分离的想象皆由于液体(水)内部有压力梯度存在。而压力梯度是地球引力所致,也就是帕斯卡定律。当引力场消失时,压力梯度即随之消失,这时沸腾现象是否仍然存在?气泡和水是否仍然分离?需要通过实验给予回答。

 

提出假设:对上述问题的推想是:在无引力情况下,沸腾会以下列若干可能的状态出现。

 

1.流体的对流是有热胀冷缩及压力梯度两个因素所致。因压力梯度又起因于地球引力,故当引力消失时,电阻丝旁因沸腾所形成的气体(气泡)只能膨胀,不能上升。气体受热产生高压,将液体推向电阻丝四周,形成内气外液的分布(见图一)。

2.气泡在电阻丝旁形成时具有高温和高能,势必向四周喷射,有如电子管内自灯丝喷出的“热”电子。这种情况下,可能产生两种分布:

 

甲:因为液体内部不存在压力梯度,喷出的气泡在液体内自由碰撞,形成混乱状态(也可能有的小气泡合并)。温度计所测得的温度既非汽温,又非液温,故无法显示所谓的“沸腾温度”(见图二)。

乙:具有高能的气泡,冲破液体的阻力,达到容器的边缘,形成内液外气的分布(见图三)。

3.如实验安装位置正处航天飞机运行轨道的中心线上,中线内方受到向后的拉力,中线外方受到向前的拉力(由于内、中、外三部分的微重力略有不同),在内外两部分产生了不同方向的压力梯度,于是气泡移动的方向随之不同(见图四)。

实验步骤:以能伸缩自如的医用注射针筒为容器,盛满清水,内装电阻丝及温度计各一个。电阻丝通电加热期间,针筒的活塞自动调节,保持液体内外压力均等。针筒内所发生的一切现象及温度计上所显示的度数均由一台自备电源的录像机记录。实验的实施分为两步:

 

1.地面测试:在飞行前实施。测定电池容量,电阻丝电阻、照明及录像机安装角度、保险装置及实验所需时间(预计10分钟)。

 

2.飞行实验:记录气、液分离状态受地球引力场的影响。实验中要观察记录的现象为“沸腾现象”、“气泡形成现象”及“气液两态界限”。上述全部设备安装在指定的实验容器内。实验容器在“天宫二号”里的位置,必须正跨在它的中心线上,要航天员代办的工作只限于打开电钮,但不需要关闭。电池用完后,实验自动停止。

 

材料及设备:医用注射针筒(5cm×15cm);2. 电阻丝;3. 温度计;4. 蓄电池;5. 透明塑料盒和防水密封胶;6. 录像机(连同自备电源、计时器和记录器);7. 电钮;8. 照明。

 

数据分析:1. 确定四种假设之一;2. 根据记录时间,计算气泡行踪。

 

得出结论:1.对无引力环境内由于温度梯度而产生的流体对流运动有所认识;2.为中学基础物理教材补充“无引力情况下沸腾现象”的内容;3.模拟肉眼看不见的电子在电子阴极管里的运动;4.研究热力学中有关气液混合状态的新理论。

 

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