你不知道的“天宮課堂”

劉玉柱 俞文杰

2021年12月9日15時(shí)40分，“天宮課堂”第一課正式開講，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這是中國空間站首次太空授課活動。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，問題來了：本次太空授課的8個(gè)實(shí)驗(yàn)和展示背后都蘊(yùn)含著怎樣的科學(xué)道理和應(yīng)用價(jià)值呢？沉浸在“天宮課堂”興奮中的小伙伴們真的懂了嗎？我們不妨來細(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景展示

“航天員在太空怎么睡覺呢？”“太空哪里來的空氣呀？”“換下來的衣服洗不洗呀？”帶著同學(xué)們的問題，我們一起來看看航天員在空間站中是如何生活、工作的吧！課程一開始，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)。

原來，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”。透過舷窗，航天員還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。

來到生活區(qū)，映入眼簾的便是各種運(yùn)動器械。原來，在太空中，由于失重的原因，人體的血液會往身體上端涌，因此航天員的臉看上去都是“胖胖”的。此外，失重還會使肌肉萎縮，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量身打造的運(yùn)動器械，這些為航天員設(shè)計(jì)的個(gè)性化運(yùn)動方案也有一個(gè)有趣的名字——運(yùn)動處方。除了這些，航天員還有一個(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”，航天員即使在太空也能吃到新鮮美味的蘋果。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難懂的實(shí)驗(yàn)。很多朋友不禁感慨：“這實(shí)驗(yàn)是個(gè)啥呀？聽名字就知道高大上！”那么，在中學(xué)生物課本上常常見到的細(xì)胞，到了太空中又會發(fā)生怎樣的奇妙變化呢？讓我們跟著葉光富老師一起來看看吧！

葉光富老師展示的是失重條件下細(xì)胞生長發(fā)育研究。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)軟件可以對細(xì)胞生長發(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)，并對它們的生長條件和形態(tài)等進(jìn)行對比研究。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)光并不斷跳動的景象。沒想到，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)研究的意義何在呢？事實(shí)上，早就有科學(xué)家提問：微重力環(huán)境下，細(xì)胞會不會不受拘束、任性生長？因此，太空細(xì)胞學(xué)對研究未來人類長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)展帶來了無限可能！

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，我們做著劃水的動作，便能輕易地向前游動。然而，在太空中也一樣嗎？

在太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)中，航天員老師在飄浮的狀態(tài)下分別做著轉(zhuǎn)身和劃水的動作，卻不能像在地球上一樣成功實(shí)現(xiàn)。這是為什么呢？事實(shí)上，物理學(xué)上把這兩種現(xiàn)象分別叫作角動量守恒和動量守恒。在太空中飄浮的物體，因?yàn)闆]有外力的作用，物體各個(gè)部分的角動量之和與動量之和均不會改變。

細(xì)心的同學(xué)們可能會發(fā)現(xiàn)，航天員老師在飄浮狀態(tài)下做轉(zhuǎn)身運(yùn)動時(shí)，上身轉(zhuǎn)動的方向總是和下身轉(zhuǎn)動的方向相反。這是因?yàn)楹教靻T老師處于飄浮狀態(tài)，上身和下身的角動量方向必須永遠(yuǎn)相反，才能保證角動量守恒，因此無法轉(zhuǎn)身。而當(dāng)航天員老師做劃水動作時(shí)，因?yàn)閯恿渴睾?，自身的速度無法改變，因此無法向前運(yùn)動。小伙伴們可能會問：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)，其角動量的方向會與身體角動量的方向相反，因此身體便會向著反方向轉(zhuǎn)動，這樣一來便成功地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身的動作。最后，航天員老師展開雙臂以一個(gè)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)收緊雙臂時(shí)，手臂圓周運(yùn)動的半徑減小，為了保證動量守恒，身體的轉(zhuǎn)速就會增加?；踊\(yùn)動員能夠飛速旋轉(zhuǎn)，利用的就是這個(gè)原理。

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

浮力怎么不見了——浮力消失實(shí)驗(yàn)

熱氣球?yàn)槭裁茨苌仙?？萬噸巨輪為什么能浮在水面？這都是浮力在起作用。可是太空中，浮力怎么就“失效”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，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)的來源是重力。在初中課本上我們學(xué)過，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)榱悖瑝簭?qiáng)差便會消失，浮力自然也就“失效”了。

水中綻放的花朵——水膜張力實(shí)驗(yàn)

水中也能“開花”？

水膜張力實(shí)驗(yàn)中，王亞平老師做好水膜后，又拿出了一個(gè)花朵折紙，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“開放”了。

原來，紙花的“開放”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“開放”了。

事實(shí)上，表面張力的現(xiàn)象在生活中處處可見。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，這都是在表面張力的作用下形成的。此外，蜻蜓、水黽等昆蟲之所以能“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？”太空授課的水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)讓觀眾們直呼“神奇”。原來，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?，氣泡不會向上，而是老老?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：外圈成為一個(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“歡樂球”——泡騰片實(shí)驗(yàn)

泡騰片在生活中再常見不過了，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，實(shí)驗(yàn)“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，氣泡便會停留在原地。由于液體表面張力的作用，水球仍會保持球形，但泡騰片產(chǎn)生的氣泡會將水球不斷“吹大”。

太空授課的這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有重力的作用，浮力消失，表面張力的效果便會更加明顯。

天鏈“母港”搭建信息“天路”——天地互動交流

此次的“天宮課堂”堪稱史上最硬核的太空授課。45分鐘的授課時(shí)間里，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交流。細(xì)膩的畫質(zhì)、清晰的圖像、流暢的語音……無不讓全世界的人們?yōu)橹潎@！那么，天地互動交流究竟是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

原來，此次天地授課是基于我國天鏈衛(wèi)星系統(tǒng)，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展，艙內(nèi)使用多臺高清攝像機(jī)，通過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，研制團(tuán)隊(duì)對授課過程、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。

航天員老師王亞平曾說過：“飛天夢永不失重，科學(xué)夢張力無限！”太空授課的成功，不僅給全世界的孩子們上了生動的一課，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)，共同為祖國的航天夢、為偉大的中國夢努力奮斗！