“天宫课堂”深度解读：为啥都以物理实验为主

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。”

文章来源：《低温物理学报》 网址: http://www.dwwlxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1213/591.html