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。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。
