太空里的趣实验

◆本刊综合

策划人语：

2013年6月20日，神舟十号航天员王亚平在聂海胜、张晓光两名航天员的协助下，在“天宫一号”实验舱演示了基础物理实验，开展了首次太空授课。

2021年12月9日，神舟十三号乘组翟志刚、王亚平、叶光富三名航天员在中国空间站开展太空授课，“天宫课堂”第一课开讲了。

此次“天宫课堂”不仅是对“太空授课”的继承和发扬，对“课堂”“课表”也进行了升级。“天宫课堂”不仅刷新了科普教育的固有模式，拓展了科学课的外延，还让科普教育“活”起来、“燃”起来。“天宫课堂”上展现出的那些与地面上截然不同的现象，或将成为青少年太空梦、航天梦、科学梦最原始的起点。

这个“最高”讲台的“天宫课堂”有何讲究？“天宫课堂”第一讲中展示了哪些科学知识？开展太空教育又有什么特殊意义？本期策划带你走进“太空里的趣实验”。

——方郁芝 秦银银

划重点——“天宫课堂”中的知识点

“天宫课堂”并不是单纯地灌输知识，此次太空授课之所以选择以下几项物理实验，是基于多方面的考虑。

首先就安全的角度而言，“天空课堂”中的实验一定要在保障中国空间站正常运行以及确保安全的前提下进行；其次就教学的角度而言，空间站与地面环境有别，需选择能明显看出天地差异的实验，让大家直观感受到空间站太空环境与地面环境的不同；最后，太空授课的内容、操作应尽量简便且能快速展现实验效果。

现在，让我们再来一起回顾“天宫课堂”吧！

太空转身

图1 叶光富在空间站尝试转身

知识点：角动量

实验过程：转身这个原本在地面上难度系数为零的动作，对处于微重力环境下的航天员来说并不容易。航天员叶光富在不借助外力的情况下，尝试用“游泳”的姿势、吹气的方法，都无法实现自由转身。当他举起手臂画圈时，才可缓慢朝某一方向转身。

实验解析：这项太空转身实验的关键词是角动量。

角动量是描述物体转动的物理量，当物体发生转动时，整个系统受到的合外力矩为零，物体的角动量保持不变，即角动量守恒。该实验展现了处于微重力环境中，航天员在类似于理想状态下验证了“没有外力矩，物体会处于角动量守恒”。按照角动量守恒的原则，航天员上半身向左转动时，下半身随之会向右转动。

当航天员举起手臂做画圈动作时，手臂会对身体产生力矩，从而改变身体躯干的转动状态，发生转动。有了手臂动作的帮助，航天员才能实现转身，身处地面环境时，脚与地面间的摩擦力会提供力矩，轻松实现转身。

从这个实验现象中我们可以得出，任何物体发生转动都需要借助外力矩。

浮力消失实验

图2 左图为地面实验效果，右图为空间站实验效果

知识点：浮力与重力伴生

实验过程：王亚平将乒乓球放入水中，用吸管将它推到水面以下。在地面对比实验中，乒乓球受到水的浮力作用浮出水面，而太空中的乒乓球随着重力的消失，浮力也随之消失，没有浮出水面。实验解析：这项实验展现的是浮力与重力伴生的现象。

浮力来源于重力引起的液体在不同深度的压强差。当重力消失时，液体内部压强相同，浮力也随之消失。地球环境中很难直观地展示物体浮力消失的现象，但处于空间站微重力环境下，浮力与重力之间的伴生关系就可清楚显现。

水膜实验

知识点：失重环境下液体表面张力作用凸显

实验过程：王亚平制作了一张水膜，并通过水袋给水膜加水，水膜不但没有破裂，反而逐渐增厚。

图3 水膜实验中，王亚平和女儿做的纸花在太空绽放

实验解析：这是由于水的表面张力在起作用。

水的表面张力是微观上水分子间相互作用力的宏观表现，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，当水滴逐渐变大时，水的表面张力无法承受水的重力，其中部分水滴坠下，因此，不易观察到水的表面张力的作用。

在太空失重环境下，水滴在表面张力的作用下呈现出均匀的球状，即使让水滴变大逐渐变成水球仍不会破裂，凸显了液体表面张力的作用。

在太空把美丽的纸花置于水膜上时，纸花绽放。这是因为纸的主要成分植物纤维有较强的亲水性，当纸花接触水后，水通过毛细现象进入植物纤维的缝隙中，使纤维吸水膨胀，纸花折痕处逐渐展开，呈现出花开的效果。

水球光学实验

图4 水球光学实验

知识点：凸透镜成像原理

实验过程：往水球中加入一个气泡，气泡持续处于水球中不会上飘，水球被气泡分为中间是空气、周围是水的两部分。此时，水球变成两个透镜，外圈成为一个凸透镜，呈现出倒立的像；内圈相当于变成了两个凹透镜的组合，这时又呈现出正立的像。因此，我们可以在水球中同时观察到一正一倒的两个成像。

实验解析：这项实验展示了三个物理现象。

首先在失重环境下，水滴会在表面张力的作用下收缩成一个接近完美的水球。在重力的影响下，水滴几乎不可能变成一个完美的水球形状。

其次，这个水球可以被看成是一个凸透镜，当你站在这个凸透镜的两倍焦距以外，看到的将是一个倒立的实像。

最后，在水球中打入一个气泡，因为太空中浮力消失，这个气泡不会飘出来。

泡腾片实验

图5 微重力环境下的泡腾片实验

知识点：微重力环境

实验过程：泡腾片在进入水球后产生的气泡相互挤压不再上浮，最后这个水球被气泡撑得更大，能看到水球逐渐膨胀的效果。

实验解析：泡腾片实验是本次太空授课中的一项趣味性实验。在地面环境中，将泡腾片放入水球就能看到气泡上浮。空间站与地面最大的不同就是空间站处于微重力环境，大家能够从这些实验中发现许多物理现象与在地面环境中的有所不同。

找找异异同同————““太太空空授授课课””与与““天天宫宫课课堂堂””有有何何不不同同

地点：

“太空授课”：“天宫一号”实验舱，活动空间约15立方米。

“天宫课堂”：中国空间站“天和”核心舱内，活动空间约110立方米。

时间：

“太空授课”：2013年6月20日，时长约45分钟。

“天宫课堂”：2021年12月9日，时长约60分钟。

规模：

“太空授课”：地面课堂设置在中国人民大学附属中学，330余名中小学生参课，其中包括了少数民族学生、进城务工人员随迁子女及港澳台地区学生代表。此外，全国8万多所中学6000多万名师生通过直播同步收看。

“天宫课堂”：地面主课堂设置在中国科技馆，另设广西科技馆、四川汶川县第一小学、香港培侨书院、澳门科学馆4个分课堂，共1420名学生代表参加了现场活动。3名航天员与地面课堂进行实时交流，问答环节提供了学生与航天员直接对谈的机会，“天宫课堂”面向全球进行直播，吸引了世界的目光。

内容：

“太空授课”：航天员通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等实验，展示了失重环境下物体的运动特性、液体表面张力特性等物理现象，回答了学生们关于太空中水循环应用、如何应对太空垃圾等问题。

“天宫课堂”：航天员在轨介绍了中国空间站生活和工作的场景，演示了微重力环境下细胞学实验、太空转身、浮力消失、水球光学现象、泡腾片实验、液体表面张力实验。

图6 “天宫课堂”中国科技馆地面主课堂现场 (新华社/金立旺 摄)

图7 “天宫课堂”澳门科学馆分课堂现场 (新华社/张金加 摄)

延伸阅读

太空实验怎么选

图8 国际空间站内学生参与研制的“球面”失重卫星

太空实验的入选条件为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。同时，还要创意新颖、简单可行。太空科学实验有多种，如材料加工实验、生物学实验、失重科学实验、医学和生命实验、对地观测实验等。

太空中的物理实验

演示失重环境下的物理现象能帮助青少年更好地理解物理概念，认识物理规律，是太空课堂中的重要内容。

国外已开发了不少面向青少年在失重环境下开展的太空实验，例如，2012年航天员佩蒂特在“国际空间站”内演示了水滴绕毛衣针在太空飞舞，以验证带静电的毛衣针在太空如何影响水滴运动。

重力环境下，水烧开时会出现沸腾现象，而处在失重环境中，沸腾产生的气泡会附着于容器底部并停留较长时间，最后形成一个大气泡漂浮在水中。研究失重环境中的沸腾现象对太空或地面工程中的散热设计大有帮助。

图9 每个处于失重环境中的太空人都是“大力士”

重力环境下，流体具有沿重力方向沉积或分层的趋势，密度大的在下面，密度小的在上面；不相溶的几种液体混合时，重的在下层，轻的在上层，调酒师因此能变魔术般调制出五彩缤纷的鸡尾酒。而在失重环境中，不同密度的介质呈彼此悬浮和均匀分散的空间分布状态。所以，在太空环境中，即便是调酒大师也无法调制出鸡尾酒。

以上都是太空课堂特有的内容。

太空中的生物实验

在太空教育中，除了进行失重环境下的物理科学实验外，也会开展生物实验。比如，在美国“哥伦比亚号”航天飞机上开展的太空蚂蚁实验，就是为了了解失重环境对蚂蚁的行为和筑巢有何影响。实验表明，太空环境中的蚂蚁更活跃，它们会疯狂地挖隧道且挖隧道的方向更随意。

除此之外，开展“太空蛋白质晶体生长”实验也是太空实验中的重要项目。蛋白质是生命的物质基础，要解开生物体的奥秘和研制特效的新药，首先要有优质蛋白质结晶，才能了解它们结构和功能的秘密。在失重环境下，生长的蛋白质晶体比在地球上生长的更纯净、体积更大。通过对这些晶体的分析，科学家们能更好地了解蛋白质、酶和病毒的性质，以及生命的基本构造，其中多项实验结果可用来研究治疗癌症、糖尿病、肺气肿和免疫系统失调的药品或方法。

星空浩瀚无比，探索永无止境。宇宙不再是神秘莫测、遥不可及的“高岭之花”，直观生动的太空授课让它离我们更近了；科学不再是书本上高度浓缩又晦涩的知识，在生动的太空实验中，它也可以更有趣、更好玩。

太空授课不仅让国人见证了中国航天发展的成就、科技自立自强的成果，也将点燃无数青少年的科学梦想。仰望星空，我们更要脚踏实地，让梦想近一点、更近一点。

图10 左为地球上生长的胰岛素结晶，右为太空环境中生长的胰岛素结晶

（栏目编辑 方郁芝）