3月23日天宮課堂第二課在中國空間站開講,神舟十三號航天員、「太空教師」翟志剛、王亞平、葉光富再次帶來一堂精彩的太空科普課。
神舟十三號航天員翟志剛、王亞平、葉光富已在空間站中度過了5個多月的時光,此次天宮課堂也應是「感覺良好」三人組在本次任務中給孩子們帶來的最後一節科普課,作為中國學生,得到三位太空教師授課,獲益良多!三位太空教師不僅配合更加密切,面對貫通天地間的鏡頭也愈發放鬆自然。備受大家喜愛的亞平老師,在與同學們的溝通過程中,手中一直「忍不住」把玩冰墩墩,令網友們大呼太羨慕「退休的墩子」。
這次太空授課包括太空「冰雪」實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗,航天員們利用空間站獨有的微重力環境,向同學們深入淺出講解實驗現象背後的科學原理。太空「冰雪」實驗中,王亞平用過飽和乙酸鈉溶液(Saturated sodium acetate solution)「變」出一顆「冰球」;液橋演示實驗中,兩片塑料板上的水在板間連起了一座「橋」,距離拉遠,液橋不斷;太空拋物實驗中,北京冬奧會吉祥物冰墩墩驚喜亮相,充當「助教」,在太空玩起空翻。
本次太空授課約有45分鐘,由中央廣播電視總台進行全程現場直播,在中國科技館設地面主課堂,在西藏拉薩、新疆烏魯木齊設2個地面分課堂。
在太空「冰雪」實驗演示中,王亞平利用過飽和乙酸鈉溶液「變」出了一顆表面結晶的液體球,這個液體球長得像冰球,其實卻是個熱球。專家表示,這個試驗實際上是過飽和乙酸鈉溶液形核、結晶的過程。在地面上進行結晶實驗時,晶體的樣子可能因容器形狀不同有很大差異,在空間站微重力環境中,晶體並不受容器的限制,可以懸浮在半空自由生長。
在液橋演示實驗中,葉光富將水球分別擠在兩塊液橋板上。王亞平將兩個水球拉近,在剛開始相碰時水球不會相溶,讓它們靠近再拉開後,在表面張力的作用下,水將兩個液橋板接在一起,液橋變得更細、更長,仍然沒有斷開。專家表示,微重力環境與液體表面張力是液橋得以成形的主要原因,航天員輕鬆演示出比地面大數百倍的液橋,這在地面上是不可能看到的景象。
在水油分離試驗中,王亞平用力搖晃裝有水和油的瓶子,讓水油充分混合,瓶中水油混合成為黃色的液體,與地面上的水油分離完全不同。隨後,葉光富當起了「人體離心機」,用一根繩子套住水和油的溶液瓶,掄起在空中旋轉。數圈後,水油明顯分離,油在上層,水在下層。專家表示,水油在天上成功分離的原因是,瓶子高速旋轉時類似離心機,可以理解為離心作用使得浮力重新出現。
太空拋物實驗尤其精彩,只見王亞平「變」出「頂流」冰墩墩的玩偶,她將冰墩墩拋向葉光富,冰墩墩並沒有像在地面上那樣做曲線運動,而是水平飛了出去。專家表示,這看似簡單的平拋運動,在著名科學家牛頓的腦海裏被放大到宇宙尺度。既然在地面上拋出物體的速度越快,它就能落到更遠的地方,那如果拋出物體的速度足夠大,它是否能成為環繞地球的衛星?這個思想實驗也被稱為「牛頓的高山大炮實驗」,由它引出的第一宇宙速度等概念,成了發射人造衛星、空間站的重要依據。
數位學生表示,水油分離實驗給他們留下了深刻印象。在地面上,水和油自然分層,油在上水在下,然而在空間站,水和油經過搖晃後會混合在一起。在太空拋物實驗中,「冰墩墩」的驚喜亮相得到現場同學的積極回應,讓地面看到「天宮」實驗的神奇之處。
太空奇妙實驗重點
太空「冰雪」
•演示失重狀態下的飽和液體結晶現象。
•原理:過飽和溶液裏引入了結晶的晶核,多餘的溶質就迅速以晶核為中心快速結晶並析出,視覺上如同瞬間冰封。
液橋演示
•演示失重環境下水的表面張力作用。
•原理:微重力環境下,液體的表面張力更加凸顯。天宮課堂的液橋演示實驗中,水在表面張力作用下將兩個塑料板連接起來。
水油分離
•演示失重環境下水油分層現象消失、通過旋轉產生離心力實現分層。
•原理:在地面上,水和油自然分層。然而在空間站,水和油需要在離心作用下實現分層。
太空拋物
•演示天地之間拋物區別。
•原理:在太空微重力環境下,被拋出物體幾乎不受重力作用,近乎表現為只有水平方向的勻速直線運動。
兩大重器 首次亮相
無容器材料實驗櫃
•原理:通過靜電場精確控制樣品位置,利用激光加熱可使樣品最高溫度達3000℃,可開展金屬及非金屬化合物材料物性研究。
•應用:可揭示各類材料的特性及生長規律,開發具有新型功能的材料。實驗成果可在高溫單晶合金、核電站高溫材料等領域應用。
高微重力科學實驗櫃
•原理:首創採用雙層懸浮隔離振動,最大程度上消除振動,完成微重力水平極限挑戰,實現比空間站平台高2-3個數量級的高微重力水平。
•應用:利用其提供的實驗條件,將開展國際前沿的空間冷原子干涉實驗、檢驗愛因斯坦等效原理,達到10-12精度水平。
太空實驗室 「櫃」顯神通
中國空間站計劃在今年全面建成,不久後中國國家太空實驗室也將正式運行。在第二次天空課堂中,航天員們展示了空間站核心艙中的重量級科研裝置──高微重力科學實驗櫃和無容器材料實驗櫃。葉光富說,等到問天實驗艙和夢天實驗艙發射入軌後,空間站將增加更多實驗櫃,開展更多領域科學實驗項目。屆時,中外科學家都可依託實驗櫃開展研究,中國空間站將成為造福全人類的太空實驗室。
葉光富說,微重力對物理學的研究非常重要,有了高微重力科學實驗櫃,就可以開展需要更高微重力水平的實驗,可以對愛因斯坦廣義相對論中的等效原理進行高精度檢驗。
王亞平打開實驗櫃的櫃門,展示出一張懸浮實驗台,可以在櫃體內外進行實驗。實驗台外層採用噴氣懸浮,內層採用磁懸浮控制。氨氣+磁懸浮可以抵銷微重力產生的影響,使實驗團隊的微重力水平提高100-1000倍。不久前,航天員就和地面的科學家配合,開展了一次櫃體外的懸浮實驗。
葉光富還展示了無容器材料實驗櫃。他說,在這裏面,實驗樣品可懸浮,與容器表面不接觸,可以更精確地測量樣品的重要物理性質。去年神舟十二號返回時已帶回部分實驗樣品,目前地面的科學家們正進行研究和分析。
太空難落淚 微重力美容
天宮課堂上,神舟十三號乘組回答了網友和同學們的有趣提問,講述了他們奇妙的太空生活。王亞平說,在空間站飛行過程中,他們經歷過許多熱淚盈眶的時刻,這時,眼淚無法像在地面一樣流下,而是會在眼眶裏打轉,或者停留在眼角。此外,空間站的微重力環境,還會給航天員們帶來類似於「拉皮」的美容效果。
「在空間站裏皮膚會不會變好?」王亞平回答,空間站裏沒有太陽光照射,溫度和濕度也控制在適宜的範圍之內,在微重力的環境下,血液會向上流動,皮膚也會向上提拉緊致,出現「拉皮」現象,航天員的皮膚狀態是很不錯的。
此外,在空間站中,航天員也有保濕潤膚的產品,不過護膚水不能像在地球一樣倒出來,而是要用特定的裝置擠壓出來才能用。
「空間站90分鐘就可以繞地球一周,時序如何設置,時間是北京時間還是格林威治時間呢?」翟志剛回答,在空間站中,90分鐘就經歷一次日出日落。空間站裏,除了有北京時間,還有世界時間,還有相對飛行時間,還有絕對飛行時間,根據各時的任務不同,採用的時間也不一樣。通常情況下,在空間站有人駐留的狀態下,一般採用北京時間,目前也是按照北京來安排作息制度。