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“天宮課堂”沒看夠?武漢名師這樣解讀太空實驗背後的知識點!

極目新聞記者 狄鑫

通訊員 舒曉慶 王雯婷 蘇敏

12月9日,“太空教師”翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站為青少年帶來了一場精彩紛呈的太空科普課,3名航天員不僅在軌介紹展示了中國空間站工作生活場景,演示了微重力環境下細胞學實驗、物體運動、液體表面張力等神奇現象。這些實驗專案背後反映了怎樣的科學原理呢?極目新聞記者邀請了全國優秀科技教師、湖北省物理特級教師黎鵬,武漢市第十一中學生物高階教師吳風勝進行解讀。

實驗1:太空細胞學研究實驗展示

實驗現象:葉光富老師向我們展示了失重條件下細胞的生長髮育研究。將細胞放在培養裝置裡培養,培養裝置能維持適當的溫度和氣體濃度。當細胞培養到一定階段後,就可以將其拿出來進行觀察。將細胞放在顯微鏡下,用醫學樣本顯微觀察記錄裝置記錄細胞的生長情況。將細胞置於有重力或完全失重的情況下,細胞的生長形態會有所差異,透過對比兩種環境下細胞的形態等差異,來研究細胞的變化規律和機制等。

原理解讀:心肌細胞在熒光顯微鏡下會閃閃發光,非常漂亮和神奇。吳風勝告訴極目新聞記者,這是因為活的心肌細胞在生命活動過程中會產生生物電,生物電會激發熒光顯微鏡中的熒光物質,透過顯示屏就可觀察到熒光現象。心肌細胞具有自動節律收縮的特性,所以顯微鏡下可以觀察到它們有節律地跳動。

心肌等細胞在微重力的環境下,其功能和基因表徵都會出現變化,當回到地面後,基因表徵基本又會退回到地面狀態,但依然有些基因的表徵會發生改變,研究心肌細胞在太空中的生理變化,可以幫助人們涉足更遠的太空旅行。

實驗2:太空轉身

實驗現象:三位航天員首先為大家展示了在太空中轉身的神奇現象,這個原本在地面上難度係數為零的普通動作,在太空中卻隱藏著很高的物理知識。太空中人體上半身左轉時,下半身右轉;手臂左轉時,身體其他部分將右轉。

原理解讀:黎鵬分析,在地面上,由於地球引力的作用,人與地面間有壓力和摩擦力,所以轉身很容易;在太空完全失重的環境中,人受地面的壓力和摩擦力將消失,要實現太空轉身不太容易,必須找到一個著力點,在力的作用下才能實現轉身。如果在沒有著力點的情況下,人體可以利用角動量守恆,當身體的一部分向左轉動時,另一部分將向右轉動,實現人體在太空的轉身。

實驗3:浮力消失實驗

實驗現象:太空老師王亞平將乒乓球放入水中,乒乓球懸在水中間,而不是懸浮在水面。

原理解讀:黎鵬介紹,地面上由於地球引力的作用,液體在乒乓球上下表面的壓強不同,存在壓力差,從而產生浮力與重力平衡,使乒乓球懸浮在水面;到了太空站,由於完全失重,液體中各處的壓強相同,懸浮於液體中的乒乓球上下表面不存在壓力差,物體不受浮力作用,乒乓球將懸浮在水裡的任意位置。

實驗4:水膜張力實驗

實驗現象:王亞平在水膜上貼上和女兒一起做的摺紙花,貼在水膜上花朵逐漸展開。

原理解讀:在地面上,水滴中液體表面張力受到地球引力的影響,實驗效果表現不明顯;在太空失重環境中,水膜表面的水分子切面上只有一個液體表面張力的作用,水滴呈現球形,當花朵貼近水膜表面時,花朵在水膜表面張力作用下而逐漸展開。

實驗5:水球光學實驗

實驗現象:王亞平在水膜裡注水,變成一個水球,當葉光富靠近水球時,可以看到人的倒立影象,接著王亞平在水球裡再注入一個氣泡,葉光富在水球中形成一正一反兩個影象。

原理解讀:在地面上,水珠受到地球引力作用,呈現上小下大形狀。在太空中,由於微重力環境,水珠在表面張力作用下呈現透明圓球,球形水珠相當於兩個組合在一起的凸透鏡,光線透過它發生兩次折射,從而形成一個倒立的人像;當在水球中注入一個氣泡時,光線透過它發生四次折射,從而在形成一正立的人像,其中倒立的像是光線在水球中兩次折射的結果,正立的像是光線射入氣泡四次折射的結果,這都是光的折射原理引起的光學現象。

實驗6:泡騰片實驗

實驗現象:王亞平將藍色顏料液體注入水球中,變成一個藍色水球,王亞平泡騰片插入藍色水球中,泡騰片產生的絕大部分氣泡包裹在水球裡,變成一個氣泡球,像一顆蔚藍的地球。

原理解讀:泡騰片裡通常有碳酸氫鈉和檸檬酸(或其他弱酸),在地面上把它扔進水杯裡時,酸和水發生反應產生二氧化碳氣泡,由於存在浮力,二氧化碳氣泡迅速上浮,然後在水面上消失;到了空間站裡,氣泡不受浮力影響,均勻地向四周擴散,其中絕大多數氣泡留在水球中,極少數氣泡突破水球的表面擴散到空氣中。

黎鵬老師表示,以上太空實驗,涉及高中物理教材中的力學、熱學和光學的相關知識和化學知識。太空轉身和浮力消失實驗是力學知識的應用;水膜張力實驗是熱學中液體表面張力知識的應用;水球光學實驗是光學中透鏡成像知識的應用;泡騰片實驗是物理力學知識和化學知識的應用。這些習以為常的知識,在特定的失重環境條件下有了新鮮感,透過太空授課,不僅讓學生親身感受到了物理知識的奇妙,也可以激發學生學習物理的興趣,培養學生的科技素養和科學探究的精神,以及熱愛科學,熱愛祖國的情懷,這是一次很好的充滿現實意義的現場教學。

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