纸花绽放 水球“沸腾”成欢乐星球 中国空间站首次太空授课,神奇实验背后有这么多知识点
:12月9日,“天宫课堂”第一课开课,王亚平(左)、叶光富在进行太空授课。新华社发中国载人航天工程办公室透露,12月9日15时40分,“天宫课堂”第一课正式开讲,时隔8年多之后,中国航天员再次进行太空授课。
“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为广大青少年带来了一场精彩的太空科普课,这是中国空间站首次太空授课活动。
在约60分钟的授课中,神舟十三号飞行乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富生动介绍展示了空间站工作生活场景,演示了微重力环境下细胞学实验、人体运动、液体表面张力等神奇现象,并讲解了实验背后的科学原理。授课期间,航天员通过视频通话形式与地面课堂师生进行了实时互动交流。
在12月9日的“天宫课堂”中,神舟十三号乘组三名航天员翟志刚、王亚平、叶光富,演示了微重力环境下细胞学实验、人体运动、液体表面张力等神奇现象,共进行了8项太空授课项目。
天宫课堂首次开课为何选择这些作为授课内容?每项实验背后蕴含着什么知识点?
“天宫课堂” 有了“新教室”
在2013年6月20日上午10时,王亚平、聂海胜和张晓光三位航天员在神舟十号上配合开展了首次太空授课。8年多后,2021年12月9日,“天宫课堂”有了一个“新教室”。这座“新教室”有宽敞的空间、整洁的环境、先进的设备……更重要的是,它是中国自己的空间站,而且它将常驻太空,持续为我们带来丰富多彩的科学课、科学活动。
翟志刚、王亚平、叶光富相互配合,王亚平首先带领大家参观了航天员的生活区,王亚平休息区的家人照片、小布偶和舷窗外浩瀚的宇宙构成了一幅温馨又浪漫的场景。“太空厨房”冰箱里的苹果、可以加热食物的加热器和微波炉以及各种太空食品,让大家不用担心航天员因为吃不到美食而想家。
在宽敞的大柱段,航天员叶光富带大家一起观察在太空中开展的科学实验,微重力环境下活的心肌细胞,因为生物电脉冲而产生明暗闪烁,显微镜下心肌细胞的跳动,让人充满了好奇。
不少在地面听讲的同学发问:“为啥航天员在太空看上去胖胖的?”原来,身处太空,失重环境会导致航天员的血液分布和地面不同,下肢血液上涌,所以航天员面部看起来会“胖胖的”。
太空转身 哎,我飘起来了……
“天宫课堂”进行了天地互动,叶光富回答了孩子们的问题:空间站里能像地面一样走路吗?答案:不能。随后叶光富展示了太空转身。
“哎,我飘起来了……”“我深吸一口气……”叶光富先是展示了太空秘密武器“企鹅服”,又马不停蹄进行“太空行走”,最后还被要求尝试不借助把手完成太空转身。王亚平说:“虽然叶老师很努力了,但好像还没成功……加油,再使点劲!”
这个原本在地面上难度系数为零的普通动作,在太空中却隐藏着很多物理知识。
中国科技馆科普讲师团副团长陈征介绍,太空转身实验的核心关键词叫“角动量”。角动量是描述物体转动的物理量。这个实验所展现的是在微重力环境中,航天员在不接触空间站的情况下,类似于理想状态下验证“没有外力矩,物体会处于角动量守恒”。航天员上半身向左转动时,按照角动量守恒的原则,下半身就会向右转。
另一个动作是航天员伸展身体的时候,因为质量分布得离旋转轴比较远,转动惯性比较大,所以角速度就减慢,通俗地说就是转得慢了。而当把四肢收回时,转动惯性小,角速度就会增加,直观感受就是转动速度变快了。
浮力消失实验 浮力与重力伴生
在很多科幻电影中都曾出现过这样的镜头:一旦重力消失,浮力就没了,人们在游泳时就会变得很艰难。王亚平所开展的浮力消失实验,展现的就是这一现象。
陈征介绍,这项实验所展现的是浮力和重力伴生的现象。当重力消失时,液体内部压强相同,浮力也就消失了。不过,地球表面难以让浮力消失,这个实验很难直观地展示出来。在空间站的微重力条件下,浮力和重力之间的伴生关系就能很清楚地显现。
8年后再做“水膜实验” 这次它开花了
王亚平在翟志刚、叶光富的辅助下,在“天宫课堂”再次授课。在8年多前的神舟十号太空课堂中,王亚平就曾成功制成了一张漂亮的水膜,并在水膜上贴了一个小小道具,印着一个“中国结”。
12月9日,王亚平再次演示了水膜实验,但这次她做好水膜后,拿出的是提前折叠好的一个花朵折纸。王亚平将折好的花朵小心翼翼地放置在水膜上,令人惊讶的现象出现了——花朵在晶莹剔透的水膜上缓慢地“开放”了。“希望你们的梦想都能在广袤的宇宙中绽放!”王亚平寄语孩子们。
随后,王亚平用注射器向水球内注入一个气泡水球,里面同时出现了两个王老师的倒影,一正一反。透过气泡,可以看到正像水球中映出的依然是倒影。
陈征介绍,当航天员往水球中打入一个气泡,因为在太空中浮力已经消失了,所以气泡不会向上漂,而是老老实实待在水球中,水球因此被气泡变为两部分,中间是空气,气泡周围是水。这时整个水球就变成了两个透镜,外圈成为一个凸透镜,所以呈现出一个倒立的像,内圈相当于变成两个凹透镜的组合,这时又出现一个正立的像。因此可以在水球中同时看到一正一倒两个像。
这项实验其实体现了三个物理现象,首先就是在失重环境下,水滴会在表面张力的作用下,收缩成一个接近完美球体的水球,而在地面上,因为受重力影响,水呈现为水滴形,几乎不可能获得一个完美的水球。
其次,这个水球可以被看成一个凸透镜,如果你站在这个凸透镜的两倍焦距以外,看到的就是一个倒立的实像。最后,就是在水球中打入一个气泡,因为太空中浮力消失,这个气泡不会漂出来,它就老老实实待在里边。
泡腾片实验 做一个太空欢乐球
接着,王亚平在“天宫课堂”进行泡腾片实验,这是本次太空授课中的一项趣味性实验。
王亚平老师用蓝色渲染的水球,放入泡腾片,只见水球“沸腾”了!无数气泡在其中产生,但由于太空的失重环境,气泡没有离开水球,而是逐渐将水球充满,美轮美奂。橙色和蓝色融合,像是充满欢乐的地球。
据陈征介绍,在地面环境中,将泡腾片扔进水球里,就能看到气泡上浮,可在中国空间站的失重环境中,因为浮力消失,泡腾片扔进水中产生的气泡不再上浮,而是相互挤压,最后就会形成一个很有意思的样子,水球会被气泡撑得很大,能看到水球一点点膨胀的效果。
空间站和地面最大的不同,就是空间站是微重力环境,但微重力环境对常人而言只是一个名词,通过这些实验,大家就能知道微重力环境下,许多物理现象和地面环境有所不同了。
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