太空里的趣實驗

◆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助下，在“天宮一號”實驗艙演示了基礎物理實驗，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”的繼承和發揚，對“課堂”“課表”也進行了升級。“天宮課堂”不僅刷新了科普教育的固有模式，拓展了科學課的外延，還讓科普教育“活”起來、“燃”起來。“天宮課堂”上展現出的那些與地面上截然不同的現象，或將成為青少年太空夢、航天夢、科學夢最原始的起點。

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知識？開展太空教育又有什么特殊意義？本期策劃帶你走進“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行以及確保安全的前提下進行；其次就教學的角度而言，空間站與地面環境有別，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境與地面環境的不同；最后，太空授課的內容、操作應盡量簡便且能快速展現實驗效果。

現在，讓我們再來一起回顧“天宮課堂”吧！

太空轉身

圖1 葉光富在空間站嘗試轉身

知識點：角動量

實驗過程：轉身這個原本在地面上難度系數為零的動作，對處于微重力環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，都無法實現自由轉身。當他舉起手臂畫圈時，才可緩慢朝某一方向轉身。

實驗解析：這項太空轉身實驗的關鍵詞是角動量。

角動量是描述物體轉動的物理量，當物體發生轉動時，整個系統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。該實驗展現了處于微重力環境中，航天員在類似于理想狀態下驗證了“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動時，下半身隨之會向右轉動。

當航天員舉起手臂做畫圈動作時，手臂會對身體產生力矩，從而改變身體軀干的轉動狀態，發生轉動。有了手臂動作的幫助，航天員才能實現轉身，身處地面環境時，腳與地面間的摩擦力會提供力矩，輕松實現轉身。

從這個實驗現象中我們可以得出，任何物體發生轉動都需要借助外力矩。

浮力消失實驗

圖2 左圖為地面實驗效果，右圖為空間站實驗效果

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：這項實驗展現的是浮力與重力伴生的現象。

浮力來源于重力引起的液體在不同深度的壓強差。當重力消失時，液體內部壓強相同，浮力也隨之消失。地球環境中很難直觀地展示物體浮力消失的現象，但處于空間站微重力環境下，浮力與重力之間的伴生關系就可清楚顯現。

水膜實驗

知識點：失重環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。

圖3 水膜實驗中，王亞平和女兒做的紙花在太空綻放

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，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。

在太空失重環境下，水滴在表面張力的作用下呈現出均勻的球狀，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的親水性，當紙花接觸水后，水通過毛細現象進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，呈現出花開的效果。

水球光學實驗

圖4 水球光學實驗

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，呈現出倒立的像；內圈相當于變成了兩個凹透鏡的組合，這時又呈現出正立的像。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象。

首先在失重環境下，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

圖5 微重力環境下的泡騰片實驗

知識點：微重力環境

實驗過程：泡騰片在進入水球后產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境，大家能夠從這些實驗中發現許多物理現象與在地面環境中的有所不同。

找找異異同同————““太太空空授授課課””與與““天天宮宮課課堂堂””有有何何不不同同

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，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。

規模：

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

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

內容：

“太空授課”：航天員通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球等實驗，展示了失重環境下物體的運動特性、液體表面張力特性等物理現象，回答了學生們關于太空中水循環應用、如何應對太空垃圾等問題。

“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，演示了微重力環境下細胞學實驗、太空轉身、浮力消失、水球光學現象、泡騰片實驗、液體表面張力實驗。

圖6 “天宮課堂”中國科技館地面主課堂現場 (新華社/金立旺 攝)

圖7 “天宮課堂”澳門科學館分課堂現場 (新華社/張金加 攝)

延伸閱讀

太空實驗怎么選

圖8 國際空間站內學生參與研制的“球面”失重衛星

太空實驗的入選條件為實驗所需的材料和設備必須安全可靠、質量小、體積小、功耗小、對航天員健康無影響、不會污染座艙環境等。同時，還要創意新穎、簡單可行。太空科學實驗有多種，如材料加工實驗、生物學實驗、失重科學實驗、醫學和生命實驗、對地觀測實驗等。

太空中的物理實驗

演示失重環境下的物理現象能幫助青少年更好地理解物理概念，認識物理規律，是太空課堂中的重要內容。

國外已開發了不少面向青少年在失重環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動。

重力環境下，水燒開時會出現沸騰現象，而處在失重環境中，沸騰產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。研究失重環境中的沸騰現象對太空或地面工程中的散熱設計大有幫助。

圖9 每個處于失重環境中的太空人都是“大力士”

重力環境下，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，調酒師因此能變魔術般調制出五彩繽紛的雞尾酒。而在失重環境中，不同密度的介質呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態。所以，在太空環境中，即便是調酒大師也無法調制出雞尾酒。

以上都是太空課堂特有的內容。

太空中的生物實驗

在太空教育中，除了進行失重環境下的物理科學實驗外，也會開展生物實驗。比如，在美國“哥倫比亞號”航天飛機上開展的太空螞蟻實驗，就是為了了解失重環境對螞蟻的行為和筑巢有何影響。實驗表明，太空環境中的螞蟻更活躍，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“太空蛋白質晶體生長”實驗也是太空實驗中的重要項目。蛋白質是生命的物質基礎，要解開生物體的奧秘和研制特效的新藥，首先要有優質蛋白質結晶，才能了解它們結構和功能的秘密。在失重環境下，生長的蛋白質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，科學家們能更好地了解蛋白質、酶和病毒的性質，以及生命的基本構造，其中多項實驗結果可用來研究治療癌癥、糖尿病、肺氣腫和免疫系統失調的藥品或方法。

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展的成就、科技自立自強的成果，也將點燃無數青少年的科學夢想。仰望星空，我們更要腳踏實地，讓夢想近一點、更近一點。

圖10 左為地球上生長的胰島素結晶，右為太空環境中生長的胰島素結晶

（欄目編輯 方郁芝）