太空里的趣實(shí)驗(yàn)

本刊綜合

策劃人語(yǔ)：

2013年6月20日，神舟十號(hào)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(hào)”實(shí)驗(yàn)艙演示了基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展了首次太空授課。

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

此次“天宮課堂”不僅是對(duì)“太空授課”的繼承和發(fā)揚(yáng)，對(duì)“課堂”“課表”也進(jìn)行了升級(jí)。“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(lái)、“燃”起來(lái)?！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?mèng)、航天夢(mèng)、科學(xué)夢(mèng)最原始的起點(diǎn)。

這個(gè)“最高”講臺(tái)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(shí)？開(kāi)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(shí)驗(yàn)”。

——方郁芝? 秦銀銀

劃重點(diǎn)

——“天宮課堂”中的知識(shí)點(diǎn)

“天宮課堂”并不是單純地灌輸知識(shí)，此次太空授課之所以選擇以下幾項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)一定要在保障中國(guó)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(shí)驗(yàn)，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(jiǎn)便且能快速展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果。

現(xiàn)在，讓我們?cè)賮?lái)一起回顧“天宮課堂”吧！

太空轉(zhuǎn)身

知識(shí)點(diǎn)：角動(dòng)量

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：轉(zhuǎn)身這個(gè)原本在地面上難度系數(shù)為零的動(dòng)作，對(duì)處于微重力環(huán)境下的航天員來(lái)說(shuō)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(shì)、吹氣的方法，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)身。當(dāng)他舉起手臂畫(huà)圈時(shí)，才可緩慢朝某一方向轉(zhuǎn)身。

實(shí)驗(yàn)解析：這項(xiàng)太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵詞是角動(dòng)量。

角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的物理量，當(dāng)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)受到的合外力矩為零，物體的角動(dòng)量保持不變，即角動(dòng)量守恒。該實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了“沒(méi)有外力矩，物體會(huì)處于角動(dòng)量守恒”。按照角動(dòng)量守恒的原則，航天員上半身向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，下半身隨之會(huì)向右轉(zhuǎn)動(dòng)。

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

從這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中我們可以得出，任何物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)都需要借助外力矩。

浮力消失實(shí)驗(yàn)

知識(shí)點(diǎn)：浮力與重力伴生

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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(méi)有浮出水面。

實(shí)驗(yàn)解析：這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)的是浮力與重力伴生的現(xiàn)象。

浮力來(lái)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(shí)，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(shí)驗(yàn)

知識(shí)點(diǎn)：失重環(huán)境下液體表面張力作用凸顯

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：王亞平制作了一張水膜，并通過(guò)水袋給水膜加水，水膜不但沒(méi)有破裂，反而逐漸增厚。

實(shí)驗(yàn)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(shí)，水的表面張力無(wú)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(huì)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(shí)，紙花綻放。這是因?yàn)榧埖闹饕煞种参锢w維有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)紙花接觸水后，水通過(guò)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(kāi)，呈現(xiàn)出花開(kāi)的效果。

水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)

知識(shí)點(diǎn)：凸透鏡成像原理

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

實(shí)驗(yàn)解析：這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)展示了三個(gè)物理現(xiàn)象。

首先在失重環(huán)境下，水滴會(huì)在表面張力的作用下收縮成一個(gè)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(gè)完美的水球形狀。

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

最后，在水球中打入一個(gè)氣泡，因?yàn)樘罩懈×οВ@個(gè)氣泡不會(huì)飄出來(lái)。

泡騰片實(shí)驗(yàn)

知識(shí)點(diǎn)：微重力環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過(guò)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(gè)水球被氣泡撐得更大，能看到水球逐漸膨脹的效果。

實(shí)驗(yàn)解析：泡騰片實(shí)驗(yàn)是本次太空授課中的一項(xiàng)趣味性實(shí)驗(yàn)。在地面環(huán)境中，將泡騰片放入水球就能看到氣泡上浮?？臻g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(shí)驗(yàn)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(diǎn)：

“太空授課”：“天宮一號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙，活動(dòng)空間約15立方米。

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

時(shí)間：

“太空授課”：2013年6月20日，時(shí)長(zhǎng)約45分鐘。

“天宮課堂”：2021年12月9日，時(shí)長(zhǎng)約60分鐘。

規(guī)模：

“太空授課”：地面課堂設(shè)置在中國(guó)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(tái)地區(qū)學(xué)生代表。此外，全國(guó)8萬(wàn)多所中學(xué)6000多萬(wàn)名師生通過(guò)直播同步收看。

“天宮課堂”：地面主課堂設(shè)置在中國(guó)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(shū)院、澳門(mén)科學(xué)館4個(gè)分課堂，共1420名學(xué)生代表參加了現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)。3名航天員與地面課堂進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，問(wèn)答環(huán)節(jié)提供了學(xué)生與航天員直接對(duì)談的機(jī)會(huì)，“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(guò)質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺運(yùn)動(dòng)、水膜和水球等實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體的運(yùn)動(dòng)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(duì)太空垃圾等問(wèn)題。

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

延伸閱讀

太空實(shí)驗(yàn)怎么選

太空實(shí)驗(yàn)的入選條件為實(shí)驗(yàn)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(duì)航天員健康無(wú)影響、不會(huì)污染座艙環(huán)境等。同時(shí)，還要?jiǎng)?chuàng)意新穎、簡(jiǎn)單可行。

太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)有多種，如材料加工實(shí)驗(yàn)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)和生命實(shí)驗(yàn)、對(duì)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)等。

太空中的物理實(shí)驗(yàn)

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(shí)物理規(guī)律，是太空課堂中的重要內(nèi)容。

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

重力環(huán)境下，水燒開(kāi)時(shí)會(huì)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(huì)附著于容器底部并停留較長(zhǎng)時(shí)間，最后形成一個(gè)大氣泡漂浮在水中。研究失重環(huán)境中的沸騰現(xiàn)象對(duì)太空或地面工程中的散熱設(shè)計(jì)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(shì)，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(shí)，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(wú)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(shí)驗(yàn)

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

除此之外，開(kāi)展“太空蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)也是太空實(shí)驗(yàn)中的重要項(xiàng)目。蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，要解開(kāi)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(zhǎng)的蛋白質(zhì)晶體比在地球上生長(zhǎng)的更純凈、體積更大。通過(guò)對(duì)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用來(lái)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(wú)比，探索永無(wú)止境。宇宙不再是神秘莫測(cè)、遙不可及的“高嶺之花”，直觀生動(dòng)的太空授課讓它離我們更近了;科學(xué)不再是書(shū)本上高度濃縮又晦澀的知識(shí)，在生動(dòng)的太空實(shí)驗(yàn)中，它也可以更有趣、更好玩。

太空授課不僅讓國(guó)人見(jiàn)證了中國(guó)航天發(fā)展的成就、科技自立自強(qiáng)的成果，也將點(diǎn)燃無(wú)數(shù)青少年的科學(xué)夢(mèng)想。仰望星空，我們更要腳踏實(shí)地，讓夢(mèng)想近一點(diǎn)、更近一點(diǎn)。