感知宇宙奥秘,体验探究快乐

河北省承德市第七中学 马 密

2021 年12 月9 日、2022 年3 月23 日，天宫课堂第一课与第二课准时在中国空间站正式开讲。这是时隔8 年之后，中国航天员再次进行太空授课，是中国空间站首次太空授课活动，也是神州十三号飞行乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富为广大青少年带来的两场精彩的太空科普盛宴。下面撷取十个实验与小伙伴们共同分享。

现象：叶光富老师展示了失重条件下细胞的生长发育研究成果：将细胞放在培养装置里培养，培养装置维持适当的温度和气体浓度，将细胞放在显微镜下，用医学样本显微观察记录装置记录细胞的生长情况。当细胞培养到一定阶段后，就可将其拿出来进行观察。在荧光显微镜下，可以看到心肌细胞闪闪发光，并在跳动，非常漂亮和神奇（如图1）。

图1

解释：活的心肌细胞在生命活动过程中会产生生物电，生物电会激发荧光显微镜中的荧光物质，通过显示屏就可观察到荧光现象。心肌细胞具有自动节律收缩的特性，所以显微镜下可以观察到它们有节律地跳动。将细胞置于有重力或完全失重的情况下，细胞的生长形态会有所差异，通过对比两种环境下细胞的形态等差异，来研究细胞的变化规律和机制等。

现象：太空中人体上半身左转时，下半身右转；
手臂左转时，身体其他部分将右转（如图2）。

图2

解释：在地面上，人受重力，因此人对地面有压力。当人蹬地时，会产生摩擦力，在摩擦力的作用下，人转身很容易。在太空完全失重的环境中，要实现太空转身必须借助把手，找到一个着力点，在力的作用下才能实现。当航天员“悬浮”时，他上半身左转，下半身却向右转，无法实现转身，这是因为角动量守恒。航天员本来不动，其整体角动量为零，当上半身向左转时，下半身自然会向右转，以维持整体角动量为零。利用角动量守恒，当手臂向左转动时，手臂以外的其他部分将向右转动，即可实现人体在太空的转身。

现象：太空中，将乒乓球放入水中，乒乓球悬在水中间，而不是漂浮在水面（如图3）。

解释：地面上，水有重力，就会对浸在水中的物体产生压力，越深，物体受到的压力越大。物体上下表面所处的深度不同，受到水的压力也不同，这个压力差就是浮力。因此浮力是伴随着重力产生的。太空中，由于完全失重，浸在水中的乒乓球上下表面就不受压力，所以浮力消失，乒乓球可以停留在水中的任意位置。

图3

现象：王亚平在水膜上贴上和女儿一起做的折纸花，贴在水膜上的花朵逐渐展开（如图4）。

图4

解释：在地面上，水滴中液体表面张力受到地球引力的影响，实验效果不明显。在太空失重环境中，水膜表面的水分子在切面上只有一个液体表面张力的作用，水滴呈现球形，当纸花贴近水膜表面时，在水膜表面张力作用下逐渐展开。

现象：王亚平在水膜里注水，变成一个水球，当叶光富靠近水球时，可以看到人的倒立图像；
接着王亚平在水球里再注入一个气泡，叶光富在水球中形成一正一反两个图像（如图5）。

图5

解释：在地球上，水珠受重力，下落时呈现上小下大形状，落到桌面上会摊开变扁。液体表面张力会使液体的表面尽可能地缩小。在太空中，由于微重力环境，水在表面张力作用下会呈现为面积最小的圆球。水球相当于一个凸透镜，人距凸透镜大于它的焦距时会形成一个倒立的人像。当在水球中注入一个气泡时，气泡部分相当于一个凹透镜（就像家里防盗门上的猫眼），形成正立、缩小的人像。其中倒立的像是光线在水球中两次折射的结果，正立的像是光线射入气泡四次折射的结果，这都是光的折射原理引起的光学现象。

现象：王亚平将蓝色液体颜料注入水球中，变成一个蓝色水球，再将泡腾片插入蓝色水球，随着气泡不断增多，水球变成气泡球，就像一颗蔚蓝的地球（如图6）。

图6

解释：泡腾片是一种非处方药，利用有机酸和碱式碳酸（氢）盐反应作泡腾崩解剂，置入水中，即刻发生泡腾反应，生成并释放大量的二氧化碳气体，状如沸腾，故名泡腾片。在地面上，把泡腾片放入水杯里时，由于浮力的存在，产生的二氧化碳气泡迅速上浮，然后在水面上消失。但到了空间站里，气泡不受浮力影响，均匀地向四周扩散，其中绝大多数气泡留在水球中，极少数突破水球的表面扩散到空气中。

现象：在“四季如春”的中国空间站里，王亚平用过饱和醋酸钠（乙酸钠）溶液，制作了一颗晶莹剔透的“冰球”——液体球结晶（如图7）。

图7

解释：太空“冰雪”实验，实际上是空间站里的过饱和醋酸钠（乙酸钠）溶液结晶实验。实验用到的过饱和醋酸钠溶液的制作过程：将饱和醋酸钠溶液加热，它便有能力继续溶解更多溶质，再将“加料（醋酸钠）”后的溶液冷却，便得到了过饱和醋酸钠溶液。此时，如果没有新的溶质加入，它就会在水袋内稳定保持溶液状态，平安度过飞船发射时的振动，顺利到达中国空间站。但是，表面看似“平静”的过饱和溶液，只需再加入一点点无水醋酸钠粉末，“水球”便会从粉末所接触的地方开始结晶，结晶过程中还会释放热量，所以外观虽像“冰球”，实为“热球”。至于用过饱和醋酸钠（乙酸钠）溶液能在空间站制造“冰球”的原因，一是在空间站微重力环境下，过饱和醋酸钠溶液中醋酸钠的结晶状况跟在地面上有很大差别；
二是空间站里的太空“冰雪”实验是没有容器的，溶液是一个圆球状的，在这种情况下结晶是可以向外发展的，如果是在容器里面，由于容器的限制它只能向内结晶。

现象：王亚平手持两片塑料板，叶光富向塑料板表面分别挤上水，两片塑料板逐渐接近，水便在板间连起了一座“桥”，王亚平将塑料板间的距离拉大，“桥”也没有断开（如图8）。

图8

解释：液桥是指连接在固体间的小液柱。如果是在地面上，水受重力，两塑料板间的水会向下流，很难形成液桥。在太空微重力环境下，水不会向下流，处于“漂浮”状态，液体的表面张力便凸显出来，在表面张力作用下连成液桥，拉长时也不会断。

现象：在王亚平手中的小瓶里，装着水、油两种物质。在空间站环境下，晶莹剔透的油滴并不会像在地面上一样上浮，而是与水相混合；
在叶光富用一根绳子系住瓶子并快速旋转小瓶后，水、油出现了分层（如图9）。

图9

解释：在地面上，因为油的密度小于水的密度，油会浮在水的上方，形成稳定的分层现象，而在空间站微重力环境下，水和油并不会自然分层。不过，在叶光富用一根绳子系住瓶子并快速旋转小瓶后，由于离心力的作用，水、油则出现了分层。

现象：北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”在空间站里被航天员抛出后，并没有像在地面上那样做曲线运动，而是水平飞出去了（如图10）。

图10

解释：牛顿第一定律指出，一切物体在不受外力作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态。静止的物体将保持静止，运动的物体将以原来的速度做匀速直线运动。在地面上，水平抛出的物体受重力作用会向下坠，在空中划出一道抛物线。而在空间站微重力环境下，被航天员抛出的“冰墩墩”，完美地诠释了牛顿第一定律，做匀速直线运动。

所有梦想的萌发，都可能来自生命体验中一次微小的触动。来自神舟十三号的“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富，用一系列有趣的太空小实验吸引了无数青少年的目光。“天宫课堂”在青少年心中播撒下的科学种子，或许在不久的将来就会生根、发芽，结出累累硕果，激发广大青少年一代对月球、对火星、对浩瀚宇宙的向往，鼓舞他们传承“航天精神”，向着星辰大海不断进发！