航天員展示太空漫步及轉(zhuǎn)身 新華社發(fā)
水膜張力實(shí)驗(yàn)中，王亞平將小紙花貼上水球
王亞平進(jìn)行水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)
□楚天都市報(bào)極目新聞?dòng)浾?李碗容 狄鑫 實(shí)習(xí)生 黃蓓 黃舒慧 通訊員 賈法雷 蘇敏 高翔
“天宮課堂”第一課每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含什么知識(shí)點(diǎn)？昨日，華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授周月明、物理學(xué)院引力中心副教授劉力，湖北省物理特級(jí)教師黎鵬，武漢市第十一中學(xué)生物高級(jí)教師吳風(fēng)勝就此進(jìn)行了解讀。
專家們表示，此次天宮實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)青少年的科學(xué)興趣，也是我國科技實(shí)力的展現(xiàn)，能培養(yǎng)青少年的民族自豪感，激勵(lì)青少年刻苦求學(xué)獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)。
細(xì)胞培養(yǎng)
知識(shí)點(diǎn)：太空細(xì)胞學(xué)
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：葉光富老師展示了失重條件下細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育研究。將細(xì)胞放在培養(yǎng)裝置里培養(yǎng)，培養(yǎng)裝置能維持適當(dāng)?shù)臏囟群蜌怏w濃度。當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)到一定階段后，將其拿出來進(jìn)行觀察。將細(xì)胞放在顯微鏡下，用醫(yī)學(xué)樣本顯微觀察記錄裝置記錄細(xì)胞的生長(zhǎng)情況。將細(xì)胞置于有重力或完全失重的情況下，生長(zhǎng)形態(tài)會(huì)有所差異，通過對(duì)比兩種環(huán)境下細(xì)胞的形態(tài)等差異，來研究細(xì)胞的變化規(guī)律和機(jī)制等。
原理解讀：心肌細(xì)胞在熒光顯微鏡下會(huì)閃閃發(fā)光，漂亮而神奇。吳風(fēng)勝告訴極目新聞?dòng)浾?，因?yàn)榛畹男募〖?xì)胞在生命活動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生生物電，生物電會(huì)激發(fā)熒光顯微鏡中的熒光物質(zhì)，通過顯示屏就可觀察到熒光現(xiàn)象。心肌細(xì)胞具有自動(dòng)節(jié)律收縮的特性，所以顯微鏡下可以觀察到它們有節(jié)律地跳動(dòng)。
心肌等細(xì)胞在微重力環(huán)境下，功能和基因表征都會(huì)出現(xiàn)變化，但回地面后基本又會(huì)退回地面狀態(tài)，也有一些會(huì)發(fā)生改變。研究心肌細(xì)胞在太空中的生理變化，可以幫助人們涉足更遠(yuǎn)的太空旅行。
太空轉(zhuǎn)身
知識(shí)點(diǎn)：角動(dòng)量守恒
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：三位航天員展示了太空漫步及轉(zhuǎn)身。這個(gè)原本在地面上輕易能做的普通動(dòng)作，在太空中卻隱藏著很高的物理知識(shí)。太空中人體上半身左轉(zhuǎn)時(shí)，下半身右轉(zhuǎn)；手臂左轉(zhuǎn)時(shí)，身體其他部分將右轉(zhuǎn)。
原理解讀：黎鵬分析，在地面上，由于地球引力的作用，人與地面之間有壓力和摩擦力，所以轉(zhuǎn)身很容易；在太空完全失重的環(huán)境中，人和地面的壓力、摩擦力消失，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身就不太容易了，必須找到一個(gè)著力點(diǎn)，在力的作用下才能轉(zhuǎn)身。如果沒有著力點(diǎn)，人體還可以利用角動(dòng)量守恒實(shí)現(xiàn)太空轉(zhuǎn)身。
浮力消失實(shí)驗(yàn)
知識(shí)點(diǎn)：重力和浮力相輔相成
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在地球上，乒乓球會(huì)浮在水面。而王亞平在太空中將乒乓球送入水中，球卻靜止在水中。
原理解讀：周月明介紹，重力和浮力是相輔相成。物體受到的浮力大小等于排開液體的重力，太空中重力消失了，浮力自然也沒有。太空中的物體沒有重力，因此物體沒有浮力，所以只能靜止在水中。不光是乒乓球，如果在太空中將一個(gè)鐵球放在水面，它也不會(huì)沉下去。
水膜張力實(shí)驗(yàn)
知識(shí)點(diǎn)：液體表面張力
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：王亞平將一個(gè)金屬圈插入飲用水袋并抽出后，形成了一個(gè)透明的水膜。然后她往水膜表面貼上一片小紙花，紙花在水膜上緩緩綻放，水膜依然完好。接下來，王亞平不斷往水膜里注水，水膜很快成為一個(gè)晶瑩剔透的大水球。
原理解讀：劉力解釋，由于液體與空氣接觸形成表面層，液體表面相鄰液面之間的相互作用表現(xiàn)為張力。不管是地球上還是太空中，液滴產(chǎn)生表面張力的原理以及表面張力大小都是一樣的。地球上水的表面張力受到重力的干擾，一旦膜大了，水的重力會(huì)把這張膜“撕破”，所以不能在地面上形成穩(wěn)定的大水膜。而在太空中，水珠沒有了重力的干擾，在表面張力的作用下，就能形成一塊完整的膜。由于表面能與表面積成正比，為保持穩(wěn)定，液體趨于球體，這就是水膜不斷注水并能漸漸形成水球的原因。
水球光學(xué)實(shí)驗(yàn)
知識(shí)點(diǎn)：透鏡成像原理
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的水膜經(jīng)過注水變成大水球后，上面映出王亞平倒立的人像。當(dāng)她往水球中注入空氣，水球上呈現(xiàn)出一大一小、一正一反的雙重人像。注入空氣部分映出的臉是正的，而空氣周圍充滿水的部分，臉仍然是倒立的。
原理解讀：周月明介紹，由于水中光的折射率小于空氣中光的折射率，所以水球可以看作一個(gè)凸透鏡，能匯聚光線。王亞平站在遠(yuǎn)處，大家眼里看到的是她倒立縮小的像。往水球中注入空氣，空氣球部分相當(dāng)于一個(gè)凹透鏡，會(huì)發(fā)散光線，所以大家看到的是她正立縮小的像。
泡騰片實(shí)驗(yàn)
知識(shí)點(diǎn)：微重力環(huán)境
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：王亞平往藍(lán)色水球里塞入半片泡騰片，做了一個(gè)藍(lán)色的太空歡樂球。水球中產(chǎn)生了很多小氣泡，但氣泡沒有離開水球，而是一直附著在容器內(nèi)部。
原理解讀：劉力解釋，泡騰片中含有碳酸鹽與酸類成分，在水中反應(yīng)生成不穩(wěn)定的碳酸，碳酸分解產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，無法繼續(xù)溶于水的氣體以氣泡的形式存在。
在地面上，水的自重而產(chǎn)生的壓強(qiáng)在氣泡周圍不均勻，總體上，下側(cè)壓強(qiáng)比上側(cè)壓強(qiáng)大，凈力為向上的浮力，浮力大于氣體自重，氣泡上??；而在微重力的空間站中，壓強(qiáng)差不再明顯，浮力無法體現(xiàn)。此時(shí)水的表面張力起到了決定性作用，氣泡被表面張力約束，就不會(huì)逸出到水球外。
