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河北省承德市第七中學 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時在中國空間站正式開講。這是時隔8 年之后，中國航天員再次進行太空授課，是中國空間站首次太空授課活動，也是神州十三號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精彩的太空科普盛宴。下面擷取十個實驗與小伙伴們共同分享。

實驗1 太空細胞學研究實驗展示（第一課）

現象：葉光富老師展示了失重條件下細胞的生長發育研究成果：將細胞放在培養裝置里培養，培養裝置維持適當的溫度和氣體濃度，將細胞放在顯微鏡下，用醫學樣本顯微觀察記錄裝置記錄細胞的生長情況。當細胞培養到一定階段后，就可將其拿出來進行觀察。在熒光顯微鏡下，可以看到心肌細胞閃閃發光，并在跳動，非常漂亮和神奇（如圖1）。

圖1

解釋：活的心肌細胞在生命活動過程中會產生生物電，生物電會激發熒光顯微鏡中的熒光物質，通過顯示屏就可觀察到熒光現象。心肌細胞具有自動節律收縮的特性，所以顯微鏡下可以觀察到它們有節律地跳動。將細胞置于有重力或完全失重的情況下，細胞的生長形態會有所差異，通過對比兩種環境下細胞的形態等差異，來研究細胞的變化規律和機制等。

實驗2 太空轉身（第一課）

現象：太空中人體上半身左轉時，下半身右轉；手臂左轉時，身體其他部分將右轉（如圖2）。

圖2

解釋：在地面上，人受重力，因此人對地面有壓力。當人蹬地時，會產生摩擦力，在摩擦力的作用下，人轉身很容易。在太空完全失重的環境中，要實現太空轉身必須借助把手，找到一個著力點，在力的作用下才能實現。當航天員“懸浮”時，他上半身左轉，下半身卻向右轉，無法實現轉身，這是因為角動量守恒。航天員本來不動，其整體角動量為零，當上半身向左轉時，下半身自然會向右轉，以維持整體角動量為零。利用角動量守恒，當手臂向左轉動時，手臂以外的其他部分將向右轉動，即可實現人體在太空的轉身。

實驗3 浮力消失實驗（第一課）

現象：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，就會對浸在水中的物體產生壓力，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，這個壓力差就是浮力。因此浮力是伴隨著重力產生的。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

實驗4 水膜張力實驗（第一課）

現象：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，實驗效果不明顯。在太空失重環境中，水膜表面的水分子在切面上只有一個液體表面張力的作用，水滴呈現球形，當紙花貼近水膜表面時，在水膜表面張力作用下逐漸展開。

實驗5 水球光學實驗（第一課）

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

圖5

解釋：在地球上，水珠受重力，下落時呈現上小下大形狀，落到桌面上會攤開變扁。液體表面張力會使液體的表面盡可能地縮小。在太空中，由于微重力環境，水在表面張力作用下會呈現為面積最小的圓球。水球相當于一個凸透鏡，人距凸透鏡大于它的焦距時會形成一個倒立的人像。當在水球中注入一個氣泡時，氣泡部分相當于一個凹透鏡（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果，正立的像是光線射入氣泡四次折射的結果，這都是光的折射原理引起的光學現象。

實驗6 泡騰片實驗（第一課）

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

圖6

解釋：泡騰片是一種非處方藥，利用有機酸和堿式碳酸（氫）鹽反應作泡騰崩解劑，置入水中，即刻發生泡騰反應，生成并釋放大量的二氧化碳氣體，狀如沸騰，故名泡騰片。在地面上，把泡騰片放入水杯里時，由于浮力的存在，產生的二氧化碳氣泡迅速上浮，然后在水面上消失。但到了空間站里，氣泡不受浮力影響，均勻地向四周擴散，其中絕大多數氣泡留在水球中，極少數突破水球的表面擴散到空氣中。

實驗7 太空“冰雪”實驗（第二課）

現象：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”——液體球結晶（如圖7）。

圖7

解釋：太空“冰雪”實驗，實際上是空間站里的過飽和醋酸鈉（乙酸鈉）溶液結晶實驗。實驗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，它便有能力繼續溶解更多溶質，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，如果沒有新的溶質加入，它就會在水袋內穩定保持溶液狀態，平安度過飛船發射時的振動，順利到達中國空間站。但是，表面看似“平靜”的過飽和溶液，只需再加入一點點無水醋酸鈉粉末，“水球”便會從粉末所接觸的地方開始結晶，結晶過程中還會釋放熱量，所以外觀雖像“冰球”，實為“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境下，過飽和醋酸鈉溶液中醋酸鈉的結晶狀況跟在地面上有很大差別；二是空間站里的太空“冰雪”實驗是沒有容器的，溶液是一個圓球狀的，在這種情況下結晶是可以向外發展的，如果是在容器里面，由于容器的限制它只能向內結晶。

實驗8 液橋演示實驗（第二課）

現象：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，兩塑料板間的水會向下流，很難形成液橋。在太空微重力環境下，水不會向下流，處于“漂浮”狀態，液體的表面張力便凸顯出來，在表面張力作用下連成液橋，拉長時也不會斷。

實驗9 水油分離實驗（第二課）

現象：在王亞平手中的小瓶里，裝著水、油兩種物質。在空間站環境下，晶瑩剔透的油滴并不會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小瓶后，水、油出現了分層（如圖9）。

圖9

解釋：在地面上，因為油的密度小于水的密度，油會浮在水的上方，形成穩定的分層現象，而在空間站微重力環境下，水和油并不會自然分層。不過，在葉光富用一根繩子系住瓶子并快速旋轉小瓶后，由于離心力的作用，水、油則出現了分層。

實驗10 太空拋物實驗（第二課）

現象：北京冬奧會吉祥物“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動，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，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。靜止的物體將保持靜止，運動的物體將以原來的速度做勻速直線運動。在地面上，水平拋出的物體受重力作用會向下墜，在空中劃出一道拋物線。而在空間站微重力環境下，被航天員拋出的“冰墩墩”，完美地詮釋了牛頓第一定律，做勻速直線運動。

所有夢想的萌發，都可能來自生命體驗中一次微小的觸動。來自神舟十三號的“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富，用一系列有趣的太空小實驗吸引了無數青少年的目光。“天宮課堂”在青少年心中播撒下的科學種子，或許在不久的將來就會生根、發芽，結出累累碩果，激發廣大青少年一代對月球、對火星、對浩瀚宇宙的向往，鼓舞他們傳承“航天精神”，向著星辰大海不斷進發！