你不知道的“天宮課堂”

劉玉柱 俞文杰

2021年12月9日15時40分，“天宮課堂”第一課正式開講，“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這是中國空間站首次太空授課活動。本次太空課堂內容極其豐富有趣，涉及物理、生物、化學、醫學等多方面內容。這一課，受到了全世界的矚目，其意義自然非同一般！

那么，問題來了：本次太空授課的8個實驗和展示背后都蘊含著怎樣的科學道理和應用價值呢？沉浸在“天宮課堂”興奮中的小伙伴們真的懂了嗎？我們不妨來細細解讀一番。

小小空間站，滿滿“黑科技”——航天員在軌工作生活場景展示

“航天員在太空怎么睡覺呢？”“太空哪里來的空氣呀？”“換下來的衣服洗不洗呀？”帶著同學們的問題，我們一起來看看航天員在空間站中是如何生活、工作的吧！課程一開始，王亞平老師就帶著同學們參觀了航天員的休息工作區。

原來，航天員的睡眠區是一個個半封閉的小隔間，床上有固定航天員的“安全帶”。透過舷窗，航天員還可以看到地球和外太空的迷人景色。看似小小的睡眠區，卻透著滿滿的溫馨。

來到生活區，映入眼簾的便是各種運動器械。原來，在太空中，由于失重的原因，人體的血液會往身體上端涌，因此航天員的臉看上去都是“胖胖”的。此外，失重還會使肌肉萎縮，嚴重影響健康。于是，太空跑步機、太空自行車等便是為航天員量身打造的運動器械，這些為航天員設計的個性化運動方案也有一個有趣的名字——運動處方。除了這些，航天員還有一個秘密武器，那就是“企鵝服”。它內部有束縛裝置，能幫助航天員保持肌肉的張力，起到對抗肌肉萎縮、減緩心血管功能下降的作用。太空廚房中，還有加熱器、飲水分配器、食品冷藏箱。正是有了這些“空間站黑科技”，航天員即使在太空也能吃到新鮮美味的蘋果。讓我們為空間站的設計師們點個贊！

太空中的“熒光舞者”——太空細胞學研究實驗展示

太空細胞學研究似乎成了這次天宮授課最難懂的實驗。很多朋友不禁感慨：“這實驗是個啥呀？聽名字就知道高大上！”那么，在中學生物課本上常常見到的細胞，到了太空中又會發生怎樣的奇妙變化呢？讓我們跟著葉光富老師一起來看看吧！

葉光富老師展示的是失重條件下細胞生長發育研究。在研究區域有醫學樣本制備裝置，里面能保持一定的溫度和氣體濃度，給細胞培養提供適宜的環境。當細胞培養到了一定程度時，便可以取出觀察。這時，便需要用到醫學樣本顯微觀察裝置，內置顯微鏡配合計算機軟件可以對細胞生長發育進行實時觀察和分析。實驗時，分別將細胞置于人工制造的地球重力加速度環境下和空間站的微重力環境下進行培養，并對它們的生長條件和形態等進行對比研究。此外，航天員老師們還展示了細胞由于自身生物電在熒光下閃閃發光并不斷跳動的景象。沒想到，小小的心肌細胞在太空卻能化身成美麗的舞者！

那么，這項研究的意義何在呢？事實上，早就有科學家提問：微重力環境下，細胞會不會不受拘束、任性生長？因此，太空細胞學對研究未來人類長期太空生活有著特殊的價值，它也給生物醫學的發展帶來了無限可能！

空間站中上演“花樣滑冰”——太空轉身實驗

地面上，我們雙腳觸地，能很容易地轉身;在水中，我們做著劃水的動作，便能輕易地向前游動。然而，在太空中也一樣嗎？

在太空轉身實驗中，航天員老師在飄浮的狀態下分別做著轉身和劃水的動作，卻不能像在地球上一樣成功實現。這是為什么呢？事實上，物理學上把這兩種現象分別叫作角動量守恒和動量守恒。在太空中飄浮的物體，因為沒有外力的作用，物體各個部分的角動量之和與動量之和均不會改變。

細心的同學們可能會發現，航天員老師在飄浮狀態下做轉身運動時，上身轉動的方向總是和下身轉動的方向相反。這是因為航天員老師處于飄浮狀態，上身和下身的角動量方向必須永遠相反，才能保證角動量守恒，因此無法轉身。而當航天員老師做劃水動作時，因為動量守恒，自身的速度無法改變，因此無法向前運動。小伙伴們可能會問：為什么當航天員老師右手加速繞圈時，身體就能不斷地發生旋轉呢？這是因為當右手加速繞圈時，其角動量的方向會與身體角動量的方向相反，因此身體便會向著反方向轉動，這樣一來便成功地實現了轉身的動作。最后，航天員老師展開雙臂以一個速度進行旋轉，當收緊雙臂時，手臂圓周運動的半徑減小，為了保證動量守恒，身體的轉速就會增加。花樣滑冰運動員能夠飛速旋轉，利用的就是這個原理。

事實上，航天員在空間站中的行動是十分困難的，因為飄浮在空中，無論是轉身還是前進都需要借助空間站艙壁的扶手。這看似簡單的實驗背后卻蘊含著牛頓力學中的原理，小伙伴們看懂了嗎？

浮力怎么不見了——浮力消失實驗

熱氣球為什么能上升？萬噸巨輪為什么能浮在水面？這都是浮力在起作用。可是太空中，浮力怎么就“失效”了呢？

太空中，航天員老師在杯中注滿水，利用乒乓球進行實驗，浮力卻神奇地消失了。原來，浮力產生的根本原因是物體的上下表面在水中深度不同，液體在物體的上下表面作用形成了壓力差，而液體內部壓強的來源是重力。在初中課本上我們學過，液體內部某點處的壓強=液體密度×重力加速度g×某點到液面處的豎直高度。然而，在空間站的失重環境下，重力加速度g變為零，壓強差便會消失，浮力自然也就“失效”了。

水中綻放的花朵——水膜張力實驗

水中也能“開花”？

水膜張力實驗中，王亞平老師做好水膜后，又拿出了一個花朵折紙，小心翼翼地放在水膜上。令人驚嘆的現象出現了——花朵居然在晶瑩剔透的水膜上慢慢地“開放”了。

原來，紙花的“開放”是由于水膜張力。那么，到底什么是水膜張力呢？水膜張力的物理本質是液體的表面張力，由于液體表面分子間引力作用，液體便會產生使表面盡可能縮小的力，這個力稱為“表面張力”。放在水膜上的紙花，由于受到這種力的拉扯，自然就慢慢地“開放”了。

事實上，表面張力的現象在生活中處處可見。清晨凝結在葉片上的露珠、天冷時窗戶上凝聚的水滴，都近似球狀，這都是在表面張力的作用下形成的。此外，蜻蜓、水黽等昆蟲之所以能“站”在水面上，也都是表面張力的作用，并非浮力。

水膜竟成“放大鏡”——水球光學實驗

“好神奇，水球里看到的人像為啥一正一倒呀？”太空授課的水球光學實驗讓觀眾們直呼“神奇”。原來，水球成像一正一倒的“秘密武器”便是水球中的氣泡。

當航天員老師往水球中打入一個氣泡后，因為浮力和重力的消失，氣泡不會向上，而是老老實實待在水球中，水球因此便被氣泡分為了兩部分，中間是打入的“空氣球”，周圍卻是一層“水球殼”。此時，整個水球就變成了兩個透鏡：外圈成為一個凸透鏡，呈現出一個倒立的像;內圈相當于兩個凹透鏡的組合，這個時候又出現了一個正立的像。因此，我們可以在水球中同時看到一正一倒的兩個像。

其實，透鏡在生活中的應用有很多。我們知道，凹透鏡可以發散光線，而凸透鏡可以匯聚光線，將它們以不同的形式組合，便可以發揮不同的作用。我們經常用到的眼鏡、望遠鏡、照相機等，本質上都是光學透鏡在發揮作用。

太空中的“歡樂球”——泡騰片實驗

泡騰片在生活中再常見不過了，一片入水，氣泡“咕嘟咕嘟”從水面涌出。然而在空間站中，氣泡卻只能乖乖待在水球中，究竟是什么神奇的力量“束縛”住了它們呢？

原來，實驗“泡騰片水球”也和浮力有關。在地球上，泡騰片產生的氣泡會受到浮力的作用，不斷上浮，從而涌出水面。而在空間站中，因為失重環境下浮力消失，氣泡便會停留在原地。由于液體表面張力的作用，水球仍會保持球形，但泡騰片產生的氣泡會將水球不斷“吹大”。

太空授課的這4個實驗都跟水有關，用水做實驗，與地球上的對比效果更好，水在空間站中也容易獲得。其實，這些神奇的實驗現象本質上還是由于空間站中沒有重力的作用，浮力消失，表面張力的效果便會更加明顯。

天鏈“母港”搭建信息“天路”——天地互動交流

此次的“天宮課堂”堪稱史上最硬核的太空授課。45分鐘的授課時間里，坐在教室中的同學們與400千米外空間站中的航天員老師互動交流。細膩的畫質、清晰的圖像、流暢的語音……無不讓全世界的人們為之贊嘆！那么，天地互動交流究竟是怎樣實現的呢？

原來，此次天地授課是基于我國天鏈衛星系統，采用高速雙向音視頻傳輸，以天地對話等互動形式開展，艙內使用多臺高清攝像機，通過中繼高速鏈路將高清視頻實時傳送至地面，地面上行兩路高清圖像送至艙內顯示器，從而實現雙向視頻傳輸。

此外，為了確保授課順利實施，研制團隊對授課過程、天地協同程序進行了多次全流程協同演練。授課過程中，地面工作人員實時監控空間站上各設備狀態，同時監測天地鏈路狀態，確保參與授課的所有設備工作正常，為航天員太空授課提供硬件保障。

航天員老師王亞平曾說過：“飛天夢永不失重，科學夢張力無限！”太空授課的成功，不僅給全世界的孩子們上了生動的一課，更是向全世界展示了中華民族實現偉大復興的雄心壯志。讓我們攜手并進，共同為祖國的航天夢、為偉大的中國夢努力奮斗！