你不知道的”天宮課堂“

劉玉柱 俞文杰

時(shí)隔8年，中國(guó)太空課堂再度開(kāi)啟，同時(shí)這也是中國(guó)新空間站第一次太空授課。本次太空課堂內(nèi)容極其豐富有趣，涉及物理、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等多方面內(nèi)容。這一課，受到了全世界的矚目，其意義自然非同一般！

那么，問(wèn)題來(lái)了：本次太空授課的8個(gè)實(shí)驗(yàn)和展示都蘊(yùn)含著什么科學(xué)原理呢？沉浸在“天宮課堂”興奮中的同學(xué)們真的懂了嗎？我們不妨來(lái)細(xì)細(xì)解讀一番。

小小空間站，滿滿“黑科技”

——航天員在軌工作生活場(chǎng)景展示

“航天員在太空怎么睡覺(jué)呢？”“太空哪里來(lái)的空氣呀？”“換下來(lái)的衣服洗不洗呀？”

帶著同學(xué)們的問(wèn)題，我們一起來(lái)看看航天員在空間站中是如何生活、工作的吧！

課程一開(kāi)始，王亞平老師就帶著同學(xué)們參觀了航天員的休息工作區(qū)。航天員的睡眠區(qū)是一個(gè)個(gè)“半封閉”的小隔間，床上有固定航天員的“安全帶”。透過(guò)舷窗，航天員可以看到地球和外太空的迷人景色?？此菩⌒〉乃邊^(qū)，卻透著滿滿的溫馨。

來(lái)到生活區(qū)，映入眼簾的便是各種運(yùn)動(dòng)器械。在太空中，由于沒(méi)有引力，人體的血液會(huì)往身體上端涌，因此航天員的臉看上去都胖胖的。此外，失重還會(huì)使肌肉萎縮，嚴(yán)重影響健康。于是，“太空跑步機(jī)”“太空自行車”等便是為航天員們量身打造的運(yùn)動(dòng)器械，這些為航天員設(shè)計(jì)的個(gè)性化運(yùn)動(dòng)方案統(tǒng)一有個(gè)有趣的名字——運(yùn)動(dòng)處方。除了這些，航天員們還有一個(gè)秘密武器，那就是“企鵝服”，它內(nèi)部有束縛裝置，能幫助航天員保持肌肉的張力，起到對(duì)抗肌肉萎縮、減緩心血管功能下降的作用。太空廚房中，還有加熱器、飲水分配器、食品冷藏箱。正是有了這些空間站“黑科技”，航天員們即使在太空也能吃到新鮮美味的蘋(píng)果。讓我們?yōu)榭臻g站的設(shè)計(jì)師們點(diǎn)個(gè)贊！

太空中的“熒光舞者”

——太空細(xì)胞學(xué)研究實(shí)驗(yàn)展示

太空細(xì)胞學(xué)研究似乎成了這次天宮授課最最難懂的實(shí)驗(yàn)。很多同學(xué)不禁感慨：“這實(shí)驗(yàn)是個(gè)啥呀？”“聽(tīng)名字就知道高大上！”那么，我們常談到的細(xì)胞，到了太空中又會(huì)發(fā)生怎樣的奇妙變化呢？我們跟著葉光富老師一起來(lái)看看吧！

葉光富老師展示的是在失重條件下細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的情況。在研究區(qū)域，有醫(yī)學(xué)樣本制備裝置，里面能保持一定的溫度和氣體濃度，給細(xì)胞培養(yǎng)提供適宜的環(huán)境。當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)到了一定程度時(shí)，便可以取出觀察。這時(shí)，便需要用到醫(yī)學(xué)樣本顯微觀察裝置，內(nèi)置顯微鏡配合計(jì)算機(jī)軟件可以對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和分析。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別將細(xì)胞置于人工制造的地球重力加速度環(huán)境下和空間站的微重力環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)，并對(duì)它們的生長(zhǎng)條件和形態(tài)等進(jìn)行對(duì)比研究。此外，航天員老師們還展示了細(xì)胞由于自身生物電在熒光下閃閃發(fā)光并不斷跳動(dòng)。沒(méi)想到，小小的心肌細(xì)胞在太空卻能化身成美麗的舞者。那么，這項(xiàng)高大上的研究意義何在呢？

事實(shí)上，早就有科學(xué)家提問(wèn)：空間中微重力環(huán)境下，細(xì)胞會(huì)不會(huì)不受拘束、任性生長(zhǎng)？因此，太空細(xì)胞學(xué)對(duì)研究未來(lái)人類長(zhǎng)期太空生活有著特殊的價(jià)值，它也給生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了無(wú)限可能！

空間站中上演“花樣滑冰”

——太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)

地面上，我們雙腳觸地，能很容易地轉(zhuǎn)身;在水中，我們做著劃水的動(dòng)作，便能輕易地向前游動(dòng)。然而，在太空中也一樣嗎？

在太空轉(zhuǎn)身的實(shí)驗(yàn)中，航天員老師在飄浮的狀態(tài)下分別做著轉(zhuǎn)身和劃水的動(dòng)作，卻不能像在地球上那樣成功實(shí)現(xiàn)。這是為什么呢？事實(shí)上，物理學(xué)上把這兩種現(xiàn)象分別叫作角動(dòng)量守恒和動(dòng)量守恒。在太空飄浮的物體，因?yàn)闆](méi)有外力的作用，物體各個(gè)部分的角動(dòng)量之和與動(dòng)量之和均不會(huì)改變。

細(xì)心的同學(xué)們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，航天員老師在飄浮的狀態(tài)下做轉(zhuǎn)身運(yùn)動(dòng)時(shí)，上身轉(zhuǎn)動(dòng)的方向總是和下身轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反。這是因?yàn)楹教靻T老師處于飄浮狀態(tài)，上身和下身的角動(dòng)量方向必須永遠(yuǎn)相反，才能保證角動(dòng)量守恒，因此無(wú)法轉(zhuǎn)身。而當(dāng)航天員老師做劃水動(dòng)作時(shí)，因?yàn)閯?dòng)量守恒，自身的速度無(wú)法改變，因此無(wú)法向前運(yùn)動(dòng)。同學(xué)們可能會(huì)問(wèn)：為什么當(dāng)航天員老師右手加速繞圈時(shí)，身體就能不斷地發(fā)生旋轉(zhuǎn)呢？這是因?yàn)楫?dāng)右手加速繞圈時(shí)，其角動(dòng)量的方向會(huì)與身體角動(dòng)量的方向相反，因此身體便會(huì)向著反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣一來(lái)，便成功地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身的動(dòng)作。最后，航天員老師展開(kāi)雙臂，以一個(gè)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)收緊雙臂時(shí)，手臂圓周運(yùn)動(dòng)的半徑減小，為了保證動(dòng)量守恒，身體的轉(zhuǎn)速就會(huì)增加?；踊\(yùn)動(dòng)員能夠飛速旋轉(zhuǎn)，利用的也是這個(gè)原理。

事實(shí)上，航天員在空間站中的行動(dòng)是十分困難的，因?yàn)轱h浮在空中，無(wú)論是轉(zhuǎn)身還是前進(jìn)，都需要借助空間站艙壁的扶手。這看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)背后卻蘊(yùn)含著牛頓力學(xué)中的原理，同學(xué)們看懂了嗎？

浮力怎么不見(jiàn)了

——浮力消失實(shí)驗(yàn)

熱氣球?yàn)槭裁茨苌仙?？萬(wàn)噸巨輪為什么能浮在水面？這都是浮力在起作用?？墒牵谔罩?，浮力怎么就消失了呢？

太空中，航天員老師在杯中注滿水，利用乒乓球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浮力卻神奇地消失了。原來(lái)，浮力產(chǎn)生的根本原因是物體的上、下表面在水中深度不同，液體在物體的上、下表面作用形成了壓力差，而液體內(nèi)部壓強(qiáng)的來(lái)源是重力。在初中課本上，我們將學(xué)到，液體內(nèi)部某點(diǎn)處的壓強(qiáng)=液體密度×重力加速度g×某點(diǎn)到液面處的豎直高度。然而，在空間站的失重環(huán)境下，重力加速度g變?yōu)榱?，壓?qiáng)差便會(huì)消失，浮力自然也就消失了。

水中綻放的花朵

——水膜張力實(shí)驗(yàn)

水中也能“開(kāi)花”？

在水膜張力實(shí)驗(yàn)中，王亞平老師做好水膜后，拿出了一個(gè)花朵折紙，并小心翼翼地放在水膜上。令人驚嘆的現(xiàn)象出現(xiàn)了——花朵居然在晶瑩剔透的水膜上慢慢地“開(kāi)放”了。

原來(lái)，紙花的“開(kāi)放”是由于水膜張力。那么，到底什么是水膜張力呢？水膜張力的物理本質(zhì)是液體的表面張力，由于液體表面分子間引力作用，液體便會(huì)產(chǎn)生使表面盡可能縮小的力，這個(gè)力稱為表面張力。放在水膜上的紙花由于受到這種力的拉扯，自然就慢慢地“開(kāi)放”了。

事實(shí)上，表面張力的現(xiàn)象在生活中處處可見(jiàn)。清晨凝結(jié)在葉片上的露珠、天冷時(shí)窗戶上凝聚的水滴，都近似球狀，這些都是在表面張力的作用下形成的。此外，蜻蜓、水黽等昆蟲(chóng)之所以能站在水面上，也都是表面張力的作用，并非浮力。

水膜竟成“放大鏡”

——水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)

“好神奇，水球里看到的人像為啥一正一倒呀？”水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)讓觀眾直呼“神奇”。原來(lái)，水球成像一正一倒的“秘密武器”便是水球中的氣泡。

當(dāng)航天員老師往水球中打入一個(gè)氣泡后，因?yàn)楦×椭亓Φ南?，氣泡不?huì)向上漂，而是老老實(shí)實(shí)待在水球中，水球因此便被氣泡分為了兩部分，中間是打入的“空氣球”，周圍卻是一層“水球殼”。此時(shí)，整個(gè)水球就變成了兩個(gè)透鏡：外圈是一個(gè)凸透鏡，呈現(xiàn)出一個(gè)倒立的像;內(nèi)圈相當(dāng)于兩個(gè)凹透鏡的組合，這個(gè)時(shí)候又出現(xiàn)了一個(gè)正立的像。因此，我們可以在水球中同時(shí)看到一正一倒的兩個(gè)像。

其實(shí)，透鏡在生活中的應(yīng)用有很多。我們知道，凹透鏡可以發(fā)散光線，而凸透鏡可以匯聚光線，將它們以不同的形式組合，便可以發(fā)揮不同的作用。我們經(jīng)常用到的眼鏡、望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等，本質(zhì)上都是光學(xué)透鏡在發(fā)揮作用。

太空中的“歡樂(lè)球”

——泡騰片實(shí)驗(yàn)

泡騰片在生活中再常見(jiàn)不過(guò)了，一片入水，氣泡咕嘟咕嘟從水面涌出。然而，在空間站中，氣泡卻只能乖乖待在水球中，究竟是什么神奇的力量束縛住了它們呢？

原來(lái)，“泡騰片水球”也和浮力有關(guān)。在地球上，泡騰片產(chǎn)生的氣泡會(huì)受到浮力的作用，不斷上浮，從而涌出水面。而在空間站中，因?yàn)槭е丨h(huán)境下浮力消失，氣泡便會(huì)停留在原地。由于液體表面張力的作用，水球仍會(huì)保持球形，但泡騰片產(chǎn)生的氣泡會(huì)將水球不斷“吹大”。

此次空間站中的4個(gè)實(shí)驗(yàn)都跟水有關(guān)，用水做實(shí)驗(yàn)，與地球上的對(duì)比效果更好，水在空間站中也容易獲得。其實(shí)，這些神奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)上還是由于空間站中沒(méi)有重力的作用，浮力消失，表面張力的效果便會(huì)更加明顯。事實(shí)上，水是航天員的生命之源，空間站里所有的水都是循環(huán)使用的。空間站中加了墨水的藍(lán)色“歡樂(lè)球”，是不是像極了我們美麗的地球呢！

天鏈“母港”搭建信息“天路”

——天地互動(dòng)交流

此次的“天宮課堂”堪稱史上最硬核的太空授課。45分鐘的課堂里，坐在教室中的同學(xué)們與400千米外空間站中的航天員老師互動(dòng)交流。清晰的畫(huà)面、流暢的語(yǔ)音……讓全世界的人為之贊嘆！那么，天地互動(dòng)交流究竟是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

原來(lái)，此次天地授課是基于我國(guó)天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對(duì)話等互動(dòng)形式開(kāi)展，艙內(nèi)采用多臺(tái)高清攝像機(jī)通過(guò)中繼高速鏈路將高清視頻實(shí)時(shí)傳送至地面，地面上行兩路高清圖像送至艙內(nèi)顯示器，從而實(shí)現(xiàn)雙向視頻傳輸。

此外，為了確保授課順利實(shí)施，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)授課過(guò)程、天地協(xié)同程序進(jìn)行了多次全流程協(xié)同演練。授課過(guò)程中，地面工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控空間站上各設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)監(jiān)測(cè)天地鏈路狀態(tài)，確保參與授課的所有設(shè)備工作正常，為航天員太空授課提供硬件保障。

“天宮”授課

——祖國(guó)的航天夢(mèng)

航天員老師王亞平曾說(shuō)過(guò)：“飛天夢(mèng)永不失重，科學(xué)夢(mèng)張力無(wú)限！”太空授課的成功，不僅給全世界的孩子上了生動(dòng)的一課，更是向全世界展示了中華民族實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興的雄心壯志。讓我們攜手并進(jìn)，共同為祖國(guó)的航天夢(mèng)、偉大的中國(guó)夢(mèng)努力奮斗！

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