“天宫课堂”没看够?武汉名师这样解读太空实验背后的知识点!

2021-12-28 22:31

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极目新闻记者 狄鑫

通讯员 舒晓庆 王雯婷 苏敏

12月9日,“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站为青少年带来了一场精彩纷呈的太空科普课,3名航天员不仅在轨介绍展示了中国空间站工作生活场景,演示了微重力环境下细胞学实验、物体运动、液体表面张力等神奇现象。这些实验项目背后反映了怎样的科学原理呢?极目新闻记者邀请了全国优秀科技教师、湖北省物理特级教师黎鹏,武汉市第十一中学生物高级教师吴风胜进行解读。

实验1:太空细胞学研究实验展示

实验现象:叶光富老师向我们展示了失重条件下细胞的生长发育研究。将细胞放在培养装置里培养,培养装置能维持适当的温度和气体浓度。当细胞培养到一定阶段后,就可以将其拿出来进行观察。将细胞放在显微镜下,用医学样本显微观察记录装置记录细胞的生长情况。将细胞置于有重力或完全失重的情况下,细胞的生长形态会有所差异,通过对比两种环境下细胞的形态等差异,来研究细胞的变化规律和机制等。

原理解读:心肌细胞在荧光显微镜下会闪闪发光,非常漂亮和神奇。吴风胜告诉极目新闻记者,这是因为活的心肌细胞在生命活动过程中会产生生物电,生物电会激发荧光显微镜中的荧光物质,通过显示屏就可观察到荧光现象。心肌细胞具有自动节律收缩的特性,所以显微镜下可以观察到它们有节律地跳动。

心肌等细胞在微重力的环境下,其功能和基因表征都会出现变化,当回到地面后,基因表征基本又会退回到地面状态,但依然有些基因的表征会发生改变,研究心肌细胞在太空中的生理变化,可以帮助人们涉足更远的太空旅行。

实验2:太空转身

实验现象:三位航天员首先为大家展示了在太空中转身的神奇现象,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高的物理知识。太空中人体上半身左转时,下半身右转;手臂左转时,身体其他部分将右转。

原理解读:黎鹏分析,在地面上,由于地球引力的作用,人与地面间有压力和摩擦力,所以转身很容易;在太空完全失重的环境中,人受地面的压力和摩擦力将消失,要实现太空转身不太容易,必须找到一个着力点,在力的作用下才能实现转身。如果在没有着力点的情况下,人体可以利用角动量守恒,当身体的一部分向左转动时,另一部分将向右转动,实现人体在太空的转身。

实验3:浮力消失实验

实验现象:太空老师王亚平将乒乓球放入水中,乒乓球悬在水中间,而不是悬浮在水面。

原理解读:黎鹏介绍,地面上由于地球引力的作用,液体在乒乓球上下表面的压强不同,存在压力差,从而产生浮力与重力平衡,使乒乓球悬浮在水面;到了太空站,由于完全失重,液体中各处的压强相同,悬浮于液体中的乒乓球上下表面不存在压力差,物体不受浮力作用,乒乓球将悬浮在水里的任意位置。

实验4:水膜张力实验

实验现象:王亚平在水膜上贴上和女儿一起做的折纸花,贴在水膜上花朵逐渐展开。

原理解读:在地面上,水滴中液体表面张力受到地球引力的影响,实验效果表现不明显;在太空失重环境中,水膜表面的水分子切面上只有一个液体表面张力的作用,水滴呈现球形,当花朵贴近水膜表面时,花朵在水膜表面张力作用下而逐渐展开。

实验5:水球光学实验

实验现象:王亚平在水膜里注水,变成一个水球,当叶光富靠近水球时,可以看到人的倒立图像,接着王亚平在水球里再注入一个气泡,叶光富在水球中形成一正一反两个图像。

原理解读:在地面上,水珠受到地球引力作用,呈现上小下大形状。在太空中,由于微重力环境,水珠在表面张力作用下呈现透明圆球,球形水珠相当于两个组合在一起的凸透镜,光线通过它发生两次折射,从而形成一个倒立的人像;当在水球中注入一个气泡时,光线通过它发生四次折射,从而在形成一正立的人像,其中倒立的像是光线在水球中两次折射的结果,正立的像是光线射入气泡四次折射的结果,这都是光的折射原理引起的光学现象。

实验6:泡腾片实验

实验现象:王亚平将蓝色颜料液体注入水球中,变成一个蓝色水球,王亚平泡腾片插入蓝色水球中,泡腾片产生的绝大部分气泡包裹在水球里,变成一个气泡球,像一颗蔚蓝的地球。

原理解读:泡腾片里通常有碳酸氢钠和柠檬酸(或其他弱酸),在地面上把它扔进水杯里时,酸和水发生反应产生二氧化碳气泡,由于存在浮力,二氧化碳气泡迅速上浮,然后在水面上消失;到了空间站里,气泡不受浮力影响,均匀地向四周扩散,其中绝大多数气泡留在水球中,极少数气泡突破水球的表面扩散到空气中。

黎鹏老师表示,以上太空实验,涉及高中物理教材中的力学、热学和光学的相关知识和化学知识。太空转身和浮力消失实验是力学知识的应用;水膜张力实验是热学中液体表面张力知识的应用;水球光学实验是光学中透镜成像知识的应用;泡腾片实验是物理力学知识和化学知识的应用,凯发k8官网手机版app下载。这些习以为常的知识,在特定的失重环境条件下有了新鲜感,通过太空授课,不仅让学生亲身感受到了物理知识的奇妙,也可以激发学生学习物理的兴趣,培养学生的科技素养和科学探究的精神,以及热爱科学,热爱祖国的情怀,这是一次很好的充满现实意义的现场教学。

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