天宫课堂的几个实验（天宫课堂深度解读）

12月9日，被称作最硬核直播课堂的“天宫课堂”首次天空授课，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站化身“太空教师”，现场演示微重力环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等现象，并与地面课堂进行实时交流，下面我们就来说一说关于天宫课堂的几个实验?我们一起去了解并探讨一下这个问题吧!

天宫课堂的几个实验

12月9日，被称作最硬核直播课堂的“天宫课堂”首次天空授课，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站化身“太空教师”，现场演示微重力环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等现象，并与地面课堂进行实时交流。

这堂仰望星空的精彩科普课，吸引了全国社会大众尤其是广大青少年的热切关注。这次课程讲了啥？我们邀请南京航空航天大学理学院教授李晋斌、南京航空航天大学航天学院教授闻新带我们一起细细解读其中的科学奥妙。

太空中上演的神奇实验——

太空中重力消失，浮力也跟着不见了

失重状态下，水的浮力会消失吗？王亚平在演示中将一个乒乓球放入了水中，然而，乒乓球并没有浮起来。在太空中，浮力消失，乒乓球也“沉”在了水里。

南京航空航天大学理学院李晋斌教授科普道，浮力指的是浸在液体内的物体受到液体竖直向上托起的作用力。在公元前245年，古希腊物理学家阿基米德就发现了浮力原理。太空中为何浮力会消失？这要从浮力产生的原因说起。浮力产生的根本原因是液体在物体上下表面产生的压强差。而液体的压强是在重力的作用下产生的。在中学课本中，我们学到液体中某一点压强 p=ρgh（ρ表示液体的密度 ；g是常数，刻画该点重力大小，是物体所受重力与质量的比值，即重力加速度；h是研究的点距离液面的高度。）到了太空重力消失，也就说g=0，液体压强也跟着消失，从而浮力不见了。

失重环境里，细胞照样“活得好着呢”

太空里，细胞为啥会跳动，还能一闪一闪？航天员叶光富演示的细胞运动画面，让不少观众觉得相当神奇。在太空中，细胞照样“活得好着呢”！

闻新教授介绍，在空间站进行细胞观察，是太空实验的重要任务之一。空间站的实验室具备很多地球实验室所不具备的条件，比如失重的环境与辐射影响等等。航天员在空间站中的一项重要工作就是进行各种太空实验任务，如细胞观察、太空种植等。

空间站有一套新鲜食品“生产线”，为了满足植物生长过程中所需要的光照条件，它采用红、蓝、绿三色 LED 光线照射植物。植物生长在含有介质和肥料的培养袋上，袋子表层有毛细管作用，使肥料营养能进入植物体内。2014年，航天员成功地种植出了红色长叶莴苣。

太空中独立“转身”有多难？

“天宫课堂”里，航天员叶光富在王亚平的指挥下演示了太空中的“转身”动作。不少听课的学生们发现，在转身结束后，叶光富迅速将自己卡进了空间站的扶手里。闻新教授介绍，为了验证航天员在不借助任何舱壁的情况下，是否可以只靠自己的力量移动，两个曾在奋进号航天飞机上工作的航天员做了一个测试。他们将同组的航天员南希·柯里，小心地放置在空中，并使她碰不到任何舱壁。柯里发现无论她怎样奋力运动身体或拍动手臂，她都如同卡在半空中一样，无法到达别处。“这是由于航天员在飘浮状态下，通过摆动身体与空气相互作用产生的力过小，还不足以实现移动，所以利用扶手的反作用力移动是比较容易的方法。”

纸花为什么会“慢慢”开放？

在航天员王亚平做好水膜后，她拿出了一个花朵折纸，小心翼翼放在水膜上。令人惊讶的现象出现了——花朵在晶莹剔透的水膜上慢慢地“开放”了。

什么是水膜张力？李晋斌科普道，水膜张力实验本质原因是液体的表面张力，由于分子间作用，液体会产生使表面尽可能缩小的力，这个力称为“表面张力”。清晨凝聚在叶片上的露珠、水龙头缓缓落下的水滴，看起来近似球状，这都是在表面张力的作用下形成的。此外，水黾、蜻蜓等昆虫等之所以能站在水面不下沉，也是由于表面张力的作用，而非浮力。

在地球上液膜也有表面张力，只是表面张力很小，液体还受到重力等原因影响，不容易观察到，只有加入肥皂水等活性剂才能增强水的表面张力，在阳光下形成五彩斑斓的肥皂泡。

气泡让水球变成“透镜组合”

“真神奇，水球里看到人像，为啥一正一倒呀？”“天宫课堂”的水球光学实验，让观众们大呼“神奇”。李晋斌教授介绍，成像一正一倒的“秘诀”是水球中的气泡。航天员往水球中打入一个气泡后，因为浮力和重力的消失，气泡不会向上飘，而是老老实实待在水球中，水球因此被气泡变为了两部分，中间是打入的空气，气泡周围是水。“这个时候整个水球就变成了两个透镜，外圈成为了一个凸透镜，呈现出一个倒立的像。内圈相当于变成了两个凹透镜的组合，这个时候又出现了一个正立的像。因此可以在水球中同时看到一正一倒的两个像。”

浮力的消失诞生了“太空欢乐球”

实验“泡腾片水球”也和浮力有关。泡腾片在水中产生的气泡，为啥就是“冲”不出水珠？李晋斌教授告诉记者，这还是因为太空中浮力消失的原因。李晋斌说，本次授课含有“浮力消失”、“水膜张力”、“水球光学”、“泡腾片”实验，这四个实验都会与水有关，首先因为水是航天员在太空的生命保障，拿水当实验材料，容易获得；其次水也是我们生活中经常接触的，通过对水的探究能产生强烈的“天”“地”对比，让听课者印象深刻；通过水的多次使用，四个实验也体现了课程的连贯性，是科学的实验安排。

航天员的在轨生活有多特别？

航天员“站着”也能睡，起床靠闹铃

航天员王亚平在直播中展示了自己的睡眠区。南京航空航天大学航天学院闻新教授告诉记者，由于失重环境的影响，在太空里航天员站着和躺着是没有区别的，睡觉时也不需要保持躺下来的姿势。他们只需钻进睡袋里，拉上拉链就可以美美地睡上一觉。睡袋可通过钩子与束缚带子固定在舱壁上，防止熟睡时航天员飘来飘去，甚至导致做噩梦。为节省空间，睡袋可以在平时卷起，睡觉时才放开。

此外，空间站里的起床铃声每天都不一样，铃声是各种音乐与大自然的声音，通常是由航天员或亲朋好友点播的，这样可以帮助航天员保持乐观心态。音乐铃声是从地球的航天中心发射的。

每天都要骑“太空脚踏车”

长期处于太空失重环境中，人的身体会产生肌肉萎缩、骨质流失等现象，这主要是由血液向头部转移造成的。因此为了保持形体与身体健康，每天适当的锻炼对航天员来说是有必要的。此前，闻新教授在接受扬子晚报记者采访时就介绍了太空锻炼的方法，如骑脚踏车可以锻炼航天员的腿部肌肉。“太空中的脚踏车是没有座位的，脚踏车锻炼的负荷可以设置，在负荷最重的情况下，航天员锻炼两分钟就感到犹如已经爬了一座小山。”闻新介绍，航天员还可以在跑步机上跑步，但要先将自己绑在跑步机上，否则就会跑着跑着飞起来，通常要求每天跑4至5千米。

热饭用上了微波炉

航天员在太空中的饮食要保证营养均衡，除了提供能量以外，还必须补充已知的钙质损失，以及因失重造成的血细胞和肌肉组织损耗。空间站中的多数食物被存于“牙膏管”中，航天员吃的时候需要一点点挤到口中，这样的设计在失重环境下十分方便。

近年来，随着航空科学技术的发展，太空饮食也更加丰富。除了这种膏体食物，还包括一些脱水食物、低温或冷冻的自然形态食物、包装和罐头类储藏食物等等。微波炉与电磁炉等的发明更是为航天员加热食物提供便利。

再一次太空授课，有哪些变化？

中继卫星让太空“网课”不卡顿

太空授课的完成，天地互动的实现，背后是我国中继卫星的支持。闻新教授告诉记者，空间站需要精心设计数据通信系统，空间站环绕地球时经过每一地区上空时间都不会太长，数据传输环境是实时变化的，而数据传输量又很大。因此既需要长距离移动无线通信,也需要短距离移动无线通信，这样才能把空间站和地面通信系统连接起来。

在空间站的航天员，也是靠着这一系统与地面上的家人和科研人员互动。在空间站经过所在国家上空时可以直接与之通信，不在所在国家上空时可以通过中继通信卫星转发。“当然，地面一定要有一套接收天线。航天员可通过通信系统与地面的家人朋友联系，这可以减轻空间站的封闭环境对航天员心理的负面影响。”闻新补充道。

太空实验为啥更倾向于物理实验？

不少读者看完太空授课可能会有疑惑，物理、化学和生物实验都可以在太空进行。为什么太空实验会更加倾向于物理实验？全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩介绍，太空授课的“选题”条件是实验所需的材料和设备必须安全可靠、质量小、体积小、功耗小、对航天员健康无影响、不会污染座舱环境等；当然，也要考虑创意新颖、简单可行、不需要花费航天员很多时间等因素。

“航天员在太空中其实还做过昆虫实验。”闻新教授补充，许多带有翅膀的昆虫经常被航天员带入太空，但它们的表现却大多不尽如人意。例如蝴蝶会胡乱地撞到空间站里的栏杆上，蜜蜂会在笼子里不停地翻滚却始终无法飞行。“这些昆虫中也不乏优秀的，飞蛾就是其中的佼佼者，它成功地适应了太空中的失重状态，能够毫不费力地从一个地方飘浮到另一个地方。”闻新说。

我们为什么要坚持在太空中做实验？

专家告诉记者，空间站寿命长、空间大的特点也为建立未来的空间工厂打下了坚实的基础。材料加工与生产是空间站的一个重要应用。航天员利用太空微重力、高真空、高洁净等环境条件，可以进行高纯度药品的空间生产，提炼无缺陷晶体和制造无泡沫合金等。在微重力环境下，液体中密度不同的成分不会发生沉淀和对流，采用电泳技术，可达到并大大提高生产效率、降低反应成本的效果，如空间站制药速度是地球上的几百倍，砷化镓的生产成本仅为地球的1%。

此外，中国航天员的太空实验其实还注意到了对比性。如“水膜张力实验”其实2013年王亚平太空授课已经做过，在神舟十号上进行的实验，在中国空间站再做一次，可以让观众清晰地看到两者的不同。

链接：航天员“胖了”？那只是“太空月亮脸”

在神十三乘组刚刚入驻空间站的一段时间，细心的读者发现，航天员们似乎“胖了”。而在9日的“天宫课堂”中，航天员们好像又迅速“瘦了身”。

闻新教授介绍，这不是“胖”，只是“太空月亮脸”。“人在失重的状态下和在地面时的身体状况是不一样的，身体的一些细节和特征会发生一些变化。”闻新说，在刚进人太空的几个小时内，会出现“月球脸”的症状。由于缺乏重力，身体内的大量血液会涌人头部。这种失重状态下的血液上涌，会引起头部血压变大，让人头昏脑涨。在太空里的前几天，脸部会变得十分臃肿，直到身体适应了太空里的微重力环境。一般经过四天以后，脸部就会恢复正常，然后就可以更舒适地享受太空旅行。

新华日报·交汇点记者 杨频萍

来源： 新华日报

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