本刊綜合

策劃人語：

2013年6月20日，神舟十號航天員王亞平在聶海勝、張曉光兩名航天員的協(xié)助下，在“天宮一號”實驗艙演示了基礎(chǔ)物理實驗，開展了首次太空授課。

2021年12月9日，神舟十三號乘組翟志剛、王亞平、葉光富三名航天員在中國空間站開展太空授課，“天宮課堂”第一課開講了。

此次“天宮課堂”不僅是對“太空授課”的繼承和發(fā)揚(yáng)，對“課堂”“課表”也進(jìn)行了升級。“天宮課堂”不僅刷新了科普教育的固有模式，拓展了科學(xué)課的外延，還讓科普教育“活”起來、“燃”起來?！疤鞂m課堂”上展現(xiàn)出的那些與地面上截然不同的現(xiàn)象，或?qū)⒊蔀榍嗌倌晏諌?、航天夢、科學(xué)夢最原始的起點。

這個“最高”講臺的“天宮課堂”有何講究？“天宮課堂”第一講中展示了哪些科學(xué)知識？開展太空教育又有什么特殊意義？本期策劃帶你走進(jìn)“太空里的趣實驗”。

——方郁芝? 秦銀銀

劃重點

——“天宮課堂”中的知識點

“天宮課堂”并不是單純地灌輸知識，此次太空授課之所以選擇以下幾項物理實驗，是基于多方面的考慮。

首先就安全的角度而言，“天空課堂”中的實驗一定要在保障中國空間站正常運(yùn)行以及確保安全的前提下進(jìn)行;其次就教學(xué)的角度而言，空間站與地面環(huán)境有別，需選擇能明顯看出天地差異的實驗，讓大家直觀感受到空間站太空環(huán)境與地面環(huán)境的不同;最后，太空授課的內(nèi)容、操作應(yīng)盡量簡便且能快速展現(xiàn)實驗效果。

現(xiàn)在，讓我們再來一起回顧“天宮課堂”吧！

太空轉(zhuǎn)身

知識點：角動量

實驗過程：轉(zhuǎn)身這個原本在地面上難度系數(shù)為零的動作，對處于微重力環(huán)境下的航天員來說并不容易。航天員葉光富在不借助外力的情況下，嘗試用“游泳”的姿勢、吹氣的方法，都無法實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身。當(dāng)他舉起手臂畫圈時，才可緩慢朝某一方向轉(zhuǎn)身。

實驗解析：這項太空轉(zhuǎn)身實驗的關(guān)鍵詞是角動量。

角動量是描述物體轉(zhuǎn)動的物理量，當(dāng)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動時，整個系統(tǒng)受到的合外力矩為零，物體的角動量保持不變，即角動量守恒。該實驗展現(xiàn)了處于微重力環(huán)境中，航天員在類似于理想狀態(tài)下驗證了“沒有外力矩，物體會處于角動量守恒”。按照角動量守恒的原則，航天員上半身向左轉(zhuǎn)動時，下半身隨之會向右轉(zhuǎn)動。

當(dāng)航天員舉起手臂做畫圈動作時，手臂會對身體產(chǎn)生力矩，從而改變身體軀干的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，發(fā)生轉(zhuǎn)動。有了手臂動作的幫助，航天員才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)身，身處地面環(huán)境時，腳與地面間的摩擦力會提供力矩，輕松實現(xiàn)轉(zhuǎn)身。

從這個實驗現(xiàn)象中我們可以得出，任何物體發(fā)生轉(zhuǎn)動都需要借助外力矩。

浮力消失實驗

知識點：浮力與重力伴生

實驗過程：王亞平將乒乓球放入水中，用吸管將它推到水面以下。在地面對比實驗中，乒乓球受到水的浮力作用浮出水面，而太空中的乒乓球隨著重力的消失，浮力也隨之消失，沒有浮出水面。

實驗解析：這項實驗展現(xiàn)的是浮力與重力伴生的現(xiàn)象。

浮力來源于重力引起的液體在不同深度的壓強(qiáng)差。當(dāng)重力消失時，液體內(nèi)部壓強(qiáng)相同，浮力也隨之消失。地球環(huán)境中很難直觀地展示物體浮力消失的現(xiàn)象，但處于空間站微重力環(huán)境下，浮力與重力之間的伴生關(guān)系就可清楚顯現(xiàn)。

水膜實驗

知識點：失重環(huán)境下液體表面張力作用凸顯

實驗過程：王亞平制作了一張水膜，并通過水袋給水膜加水，水膜不但沒有破裂，反而逐漸增厚。

實驗解析：這是由于水的表面張力在起作用。

水的表面張力是微觀上水分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)，在地球表面和太空中都存在。在地面上，由于水受到重力的作用，當(dāng)水滴逐漸變大時，水的表面張力無法承受水的重力，其中部分水滴墜下，因此，不易觀察到水的表面張力的作用。

在太空失重環(huán)境下，水滴在表面張力的作用下呈現(xiàn)出均勻的球狀，即使讓水滴變大逐漸變成水球仍不會破裂，凸顯了液體表面張力的作用。

在太空把美麗的紙花置于水膜上時，紙花綻放。這是因為紙的主要成分植物纖維有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)紙花接觸水后，水通過毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)入植物纖維的縫隙中，使纖維吸水膨脹，紙花折痕處逐漸展開，呈現(xiàn)出花開的效果。

水球光學(xué)實驗

知識點：凸透鏡成像原理

實驗過程：往水球中加入一個氣泡，氣泡持續(xù)處于水球中不會上飄，水球被氣泡分為中間是空氣、周圍是水的兩部分。此時，水球變成兩個透鏡，外圈成為一個凸透鏡，呈現(xiàn)出倒立的像;內(nèi)圈相當(dāng)于變成了兩個凹透鏡的組合，這時又呈現(xiàn)出正立的像。因此，我們可以在水球中同時觀察到一正一倒的兩個成像。

實驗解析：這項實驗展示了三個物理現(xiàn)象。

首先在失重環(huán)境下，水滴會在表面張力的作用下收縮成一個接近完美的水球。在重力的影響下，水滴幾乎不可能變成一個完美的水球形狀。

其次，這個水球可以被看成是一個凸透鏡，當(dāng)你站在這個凸透鏡的兩倍焦距以外，看到的將是一個倒立的實像。

最后，在水球中打入一個氣泡，因為太空中浮力消失，這個氣泡不會飄出來。

泡騰片實驗

知識點：微重力環(huán)境

實驗過程：泡騰片在進(jìn)入水球后產(chǎn)生的氣泡相互擠壓不再上浮，最后這個水球被氣泡撐得更大，能看到水球逐漸膨脹的效果。

實驗解析：泡騰片實驗是本次太空授課中的一項趣味性實驗。在地面環(huán)境中，將泡騰片放入水球就能看到氣泡上浮。空間站與地面最大的不同就是空間站處于微重力環(huán)境，大家能夠從這些實驗中發(fā)現(xiàn)許多物理現(xiàn)象與在地面環(huán)境中的有所不同。

找異同

——“太空授課”與“天宮課堂”有何不同

地點：

“太空授課”：“天宮一號”實驗艙，活動空間約15立方米。

“天宮課堂”：中國空間站“天和”核心艙內(nèi)，活動空間約110立方米。

時間：

“太空授課”：2013年6月20日，時長約45分鐘。

“天宮課堂”：2021年12月9日，時長約60分鐘。

規(guī)模：

“太空授課”：地面課堂設(shè)置在中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，330余名中小學(xué)生參課，其中包括了少數(shù)民族學(xué)生、進(jìn)城務(wù)工人員隨遷子女及港澳臺地區(qū)學(xué)生代表。此外，全國8萬多所中學(xué)6000多萬名師生通過直播同步收看。

“天宮課堂”：地面主課堂設(shè)置在中國科技館，另設(shè)廣西科技館、四川汶川縣第一小學(xué)、香港培僑書院、澳門科學(xué)館4個分課堂，共1420名學(xué)生代表參加了現(xiàn)場活動。3名航天員與地面課堂進(jìn)行實時交流，問答環(huán)節(jié)提供了學(xué)生與航天員直接對談的機(jī)會，“天宮課堂”面向全球進(jìn)行直播，吸引了世界的目光。

內(nèi)容：

“太空授課”：航天員通過質(zhì)量測量、單擺運(yùn)動、陀螺運(yùn)動、水膜和水球等實驗，展示了失重環(huán)境下物體的運(yùn)動特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，回答了學(xué)生們關(guān)于太空中水循環(huán)應(yīng)用、如何應(yīng)對太空垃圾等問題。

“天宮課堂”：航天員在軌介紹了中國空間站生活和工作的場景，演示了微重力環(huán)境下細(xì)胞學(xué)實驗、太空轉(zhuǎn)身、浮力消失、水球光學(xué)現(xiàn)象、泡騰片實驗、液體表面張力實驗。

延伸閱讀

太空實驗怎么選

太空實驗的入選條件為實驗所需的材料和設(shè)備必須安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環(huán)境等。同時，還要創(chuàng)意新穎、簡單可行。

太空科學(xué)實驗有多種，如材料加工實驗、生物學(xué)實驗、失重科學(xué)實驗、醫(yī)學(xué)和生命實驗、對地觀測實驗等。

太空中的物理實驗

演示失重環(huán)境下的物理現(xiàn)象能幫助青少年更好地理解物理概念，認(rèn)識物理規(guī)律，是太空課堂中的重要內(nèi)容。

國外已開發(fā)了不少面向青少年在失重環(huán)境下開展的太空實驗，例如，2012年航天員佩蒂特在“國際空間站”內(nèi)演示了水滴繞毛衣針在太空飛舞，以驗證帶靜電的毛衣針在太空如何影響水滴運(yùn)動。

重力環(huán)境下，水燒開時會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，而處在失重環(huán)境中，沸騰產(chǎn)生的氣泡會附著于容器底部并停留較長時間，最后形成一個大氣泡漂浮在水中。研究失重環(huán)境中的沸騰現(xiàn)象對太空或地面工程中的散熱設(shè)計大有幫助。

重力環(huán)境下，流體具有沿重力方向沉積或分層的趨勢，密度大的在下面，密度小的在上面;不相溶的幾種液體混合時，重的在下層，輕的在上層，調(diào)酒師因此能變魔術(shù)般調(diào)制出五彩繽紛的雞尾酒。而在失重環(huán)境中，不同密度的介質(zhì)呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態(tài)。所以，在太空環(huán)境中，即便是調(diào)酒大師也無法調(diào)制出雞尾酒。

以上都是太空課堂特有的內(nèi)容。

太空中的生物實驗

在太空教育中，除了進(jìn)行失重環(huán)境下的物理科學(xué)實驗外，也會開展生物實驗。比如，在美國“哥倫比亞號”航天飛機(jī)上開展的太空螞蟻實驗，就是為了了解失重環(huán)境對螞蟻的行為和筑巢有何影響。實驗表明，太空環(huán)境中的螞蟻更活躍，它們會瘋狂地挖隧道且挖隧道的方向更隨意。

除此之外，開展“太空蛋白質(zhì)晶體生長”實驗也是太空實驗中的重要項目。蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，要解開生物體的奧秘和研制特效的新藥，首先要有優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)晶，才能了解它們結(jié)構(gòu)和功能的秘密。在失重環(huán)境下，生長的蛋白質(zhì)晶體比在地球上生長的更純凈、體積更大。通過對這些晶體的分析，科學(xué)家們能更好地了解蛋白質(zhì)、酶和病毒的性質(zhì)，以及生命的基本構(gòu)造，其中多項實驗結(jié)果可用來研究治療癌癥、糖尿病、肺氣腫和免疫系統(tǒng)失調(diào)的藥品或方法。

星空浩瀚無比，探索永無止境。宇宙不再是神秘莫測、遙不可及的“高嶺之花”，直觀生動的太空授課讓它離我們更近了;科學(xué)不再是書本上高度濃縮又晦澀的知識，在生動的太空實驗中，它也可以更有趣、更好玩。

太空授課不僅讓國人見證了中國航天發(fā)展的成就、科技自立自強(qiáng)的成果，也將點燃無數(shù)青少年的科學(xué)夢想。仰望星空，我們更要腳踏實地，讓夢想近一點、更近一點。