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河北省承德市第七中學(xué) 馬 密

2021 年12 月9 日、2022 年3 月23 日，天宮課堂第一課與第二課準(zhǔn)時(shí)在中國空間站正式開講。這是時(shí)隔8 年之后，中國航天員再次進(jìn)行太空授課，是中國空間站首次太空授課活動(dòng)，也是神州十三號(hào)飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富為廣大青少年帶來的兩場(chǎng)精彩的太空科普盛宴。下面擷取十個(gè)實(shí)驗(yàn)與小伙伴們共同分享。

實(shí)驗(yàn)1 太空細(xì)胞學(xué)研究實(shí)驗(yàn)展示（第一課）

現(xiàn)象：葉光富老師展示了失重條件下細(xì)胞的生長發(fā)育研究成果：將細(xì)胞放在培養(yǎng)裝置里培養(yǎng)，培養(yǎng)裝置維持適當(dāng)?shù)臏囟群蜌怏w濃度，將細(xì)胞放在顯微鏡下，用醫(yī)學(xué)樣本顯微觀察記錄裝置記錄細(xì)胞的生長情況。當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)到一定階段后，就可將其拿出來進(jìn)行觀察。在熒光顯微鏡下，可以看到心肌細(xì)胞閃閃發(fā)光，并在跳動(dòng)，非常漂亮和神奇（如圖1）。

圖1

解釋：活的心肌細(xì)胞在生命活動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生生物電，生物電會(huì)激發(fā)熒光顯微鏡中的熒光物質(zhì)，通過顯示屏就可觀察到熒光現(xiàn)象。心肌細(xì)胞具有自動(dòng)節(jié)律收縮的特性，所以顯微鏡下可以觀察到它們有節(jié)律地跳動(dòng)。將細(xì)胞置于有重力或完全失重的情況下，細(xì)胞的生長形態(tài)會(huì)有所差異，通過對(duì)比兩種環(huán)境下細(xì)胞的形態(tài)等差異，來研究細(xì)胞的變化規(guī)律和機(jī)制等。

實(shí)驗(yàn)2 太空轉(zhuǎn)身（第一課）

現(xiàn)象：太空中人體上半身左轉(zhuǎn)時(shí)，下半身右轉(zhuǎn)；手臂左轉(zhuǎn)時(shí)，身體其他部分將右轉(zhuǎn)（如圖2）。

圖2

解釋：在地面上，人受重力，因此人對(duì)地面有壓力。當(dāng)人蹬地時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦力，在摩擦力的作用下，人轉(zhuǎn)身很容易。在太空完全失重的環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)太空轉(zhuǎn)身必須借助把手，找到一個(gè)著力點(diǎn)，在力的作用下才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)航天員“懸浮”時(shí)，他上半身左轉(zhuǎn)，下半身卻向右轉(zhuǎn)，無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身，這是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒。航天員本來不動(dòng)，其整體角動(dòng)量為零，當(dāng)上半身向左轉(zhuǎn)時(shí)，下半身自然會(huì)向右轉(zhuǎn)，以維持整體角動(dòng)量為零。利用角動(dòng)量守恒，當(dāng)手臂向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，手臂以外的其他部分將向右轉(zhuǎn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)人體在太空的轉(zhuǎn)身。

實(shí)驗(yàn)3 浮力消失實(shí)驗(yàn)（第一課）

現(xiàn)象：太空中，將乒乓球放入水中，乒乓球懸在水中間，而不是漂浮在水面（如圖3）。

解釋：地面上，水有重力，就會(huì)對(duì)浸在水中的物體產(chǎn)生壓力，越深，物體受到的壓力越大。物體上下表面所處的深度不同，受到水的壓力也不同，這個(gè)壓力差就是浮力。因此浮力是伴隨著重力產(chǎn)生的。太空中，由于完全失重，浸在水中的乒乓球上下表面就不受壓力，所以浮力消失，乒乓球可以停留在水中的任意位置。

圖3

實(shí)驗(yàn)4 水膜張力實(shí)驗(yàn)（第一課）

現(xiàn)象：王亞平在水膜上貼上和女兒一起做的折紙花，貼在水膜上的花朵逐漸展開（如圖4）。

圖4

解釋：在地面上，水滴中液體表面張力受到地球引力的影響，實(shí)驗(yàn)效果不明顯。在太空失重環(huán)境中，水膜表面的水分子在切面上只有一個(gè)液體表面張力的作用，水滴呈現(xiàn)球形，當(dāng)紙花貼近水膜表面時(shí)，在水膜表面張力作用下逐漸展開。

實(shí)驗(yàn)5 水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)（第一課）

現(xiàn)象：王亞平在水膜里注水，變成一個(gè)水球，當(dāng)葉光富靠近水球時(shí)，可以看到人的倒立圖像；接著王亞平在水球里再注入一個(gè)氣泡，葉光富在水球中形成一正一反兩個(gè)圖像（如圖5）。

圖5

解釋：在地球上，水珠受重力，下落時(shí)呈現(xiàn)上小下大形狀，落到桌面上會(huì)攤開變扁。液體表面張力會(huì)使液體的表面盡可能地縮小。在太空中，由于微重力環(huán)境，水在表面張力作用下會(huì)呈現(xiàn)為面積最小的圓球。水球相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，人距凸透鏡大于它的焦距時(shí)會(huì)形成一個(gè)倒立的人像。當(dāng)在水球中注入一個(gè)氣泡時(shí)，氣泡部分相當(dāng)于一個(gè)凹透鏡（就像家里防盜門上的貓眼），形成正立、縮小的人像。其中倒立的像是光線在水球中兩次折射的結(jié)果，正立的像是光線射入氣泡四次折射的結(jié)果，這都是光的折射原理引起的光學(xué)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)6 泡騰片實(shí)驗(yàn)（第一課）

現(xiàn)象：王亞平將藍(lán)色液體顏料注入水球中，變成一個(gè)藍(lán)色水球，再將泡騰片插入藍(lán)色水球，隨著氣泡不斷增多，水球變成氣泡球，就像一顆蔚藍(lán)的地球（如圖6）。

圖6

解釋：泡騰片是一種非處方藥，利用有機(jī)酸和堿式碳酸（氫）鹽反應(yīng)作泡騰崩解劑，置入水中，即刻發(fā)生泡騰反應(yīng)，生成并釋放大量的二氧化碳?xì)怏w，狀如沸騰，故名泡騰片。在地面上，把泡騰片放入水杯里時(shí)，由于浮力的存在，產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀菅杆偕细?，然后在水面上消失。但到了空間站里，氣泡不受浮力影響，均勻地向四周擴(kuò)散，其中絕大多數(shù)氣泡留在水球中，極少數(shù)突破水球的表面擴(kuò)散到空氣中。

實(shí)驗(yàn)7 太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)（第二課）

現(xiàn)象：在“四季如春”的中國空間站里，王亞平用過飽和醋酸鈉（乙酸鈉）溶液，制作了一顆晶瑩剔透的“冰球”——液體球結(jié)晶（如圖7）。

圖7

解釋：太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上是空間站里的過飽和醋酸鈉（乙酸鈉）溶液結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用到的過飽和醋酸鈉溶液的制作過程：將飽和醋酸鈉溶液加熱，它便有能力繼續(xù)溶解更多溶質(zhì)，再將“加料（醋酸鈉）”后的溶液冷卻，便得到了過飽和醋酸鈉溶液。此時(shí)，如果沒有新的溶質(zhì)加入，它就會(huì)在水袋內(nèi)穩(wěn)定保持溶液狀態(tài)，平安度過飛船發(fā)射時(shí)的振動(dòng)，順利到達(dá)中國空間站。但是，表面看似“平靜”的過飽和溶液，只需再加入一點(diǎn)點(diǎn)無水醋酸鈉粉末，“水球”便會(huì)從粉末所接觸的地方開始結(jié)晶，結(jié)晶過程中還會(huì)釋放熱量，所以外觀雖像“冰球”，實(shí)為“熱球”。至于用過飽和醋酸鈉（乙酸鈉）溶液能在空間站制造“冰球”的原因，一是在空間站微重力環(huán)境下，過飽和醋酸鈉溶液中醋酸鈉的結(jié)晶狀況跟在地面上有很大差別；二是空間站里的太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)是沒有容器的，溶液是一個(gè)圓球狀的，在這種情況下結(jié)晶是可以向外發(fā)展的，如果是在容器里面，由于容器的限制它只能向內(nèi)結(jié)晶。

實(shí)驗(yàn)8 液橋演示實(shí)驗(yàn)（第二課）

現(xiàn)象：王亞平手持兩片塑料板，葉光富向塑料板表面分別擠上水，兩片塑料板逐漸接近，水便在板間連起了一座“橋”，王亞平將塑料板間的距離拉大，“橋”也沒有斷開（如圖8）。

圖8

解釋：液橋是指連接在固體間的小液柱。如果是在地面上，水受重力，兩塑料板間的水會(huì)向下流，很難形成液橋。在太空微重力環(huán)境下，水不會(huì)向下流，處于“漂浮”狀態(tài)，液體的表面張力便凸顯出來，在表面張力作用下連成液橋，拉長時(shí)也不會(huì)斷。

實(shí)驗(yàn)9 水油分離實(shí)驗(yàn)（第二課）

現(xiàn)象：在王亞平手中的小瓶里，裝著水、油兩種物質(zhì)。在空間站環(huán)境下，晶瑩剔透的油滴并不會(huì)像在地面上一樣上浮，而是與水相混合；在葉光富用一根繩子系住瓶子并快速旋轉(zhuǎn)小瓶后，水、油出現(xiàn)了分層（如圖9）。

圖9

解釋：在地面上，因?yàn)橛偷拿芏刃∮谒拿芏?，油?huì)浮在水的上方，形成穩(wěn)定的分層現(xiàn)象，而在空間站微重力環(huán)境下，水和油并不會(huì)自然分層。不過，在葉光富用一根繩子系住瓶子并快速旋轉(zhuǎn)小瓶后，由于離心力的作用，水、油則出現(xiàn)了分層。

實(shí)驗(yàn)10 太空拋物實(shí)驗(yàn)（第二課）

現(xiàn)象：北京冬奧會(huì)吉祥物“冰墩墩”在空間站里被航天員拋出后，并沒有像在地面上那樣做曲線運(yùn)動(dòng)，而是水平飛出去了（如圖10）。

圖10

解釋：牛頓第一定律指出，一切物體在不受外力作用時(shí)，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。靜止的物體將保持靜止，運(yùn)動(dòng)的物體將以原來的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。在地面上，水平拋出的物體受重力作用會(huì)向下墜，在空中劃出一道拋物線。而在空間站微重力環(huán)境下，被航天員拋出的“冰墩墩”，完美地詮釋了牛頓第一定律，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

所有夢(mèng)想的萌發(fā)，都可能來自生命體驗(yàn)中一次微小的觸動(dòng)。來自神舟十三號(hào)的“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富，用一系列有趣的太空小實(shí)驗(yàn)吸引了無數(shù)青少年的目光。“天宮課堂”在青少年心中播撒下的科學(xué)種子，或許在不久的將來就會(huì)生根、發(fā)芽，結(jié)出累累碩果，激發(fā)廣大青少年一代對(duì)月球、對(duì)火星、對(duì)浩瀚宇宙的向往，鼓舞他們傳承“航天精神”，向著星辰大海不斷進(jìn)發(fā)！