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太空課堂鈴聲響起 天宮實驗有這些知識點

2021-12-10 15:12:00來源:楚天都市報  

“天宮課堂”第一課每項實驗背后蘊含什么知識點?昨日,華中科技大學物理學院教授周月明、物理學院引力中心副教授劉力,湖北省物理特級教師黎鵬,武漢市第十一中學生物高級教師吳風勝就此進行了解讀。

專家們表示,此次天宮實驗有利于培養青少年的科學興趣,也是我國科技實力的展現,能培養青少年的民族自豪感,激勵青少年刻苦求學獻身科學事業。

細胞培養

知識點:太空細胞學

實驗現象:葉光富老師展示了失重條件下細胞的生長發育研究。將細胞放在培養裝置里培養,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后,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。將細胞置于有重力或完全失重的情況下,生長形態會有所差異,通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,漂亮而神奇。吳風勝告訴極目新聞記者,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,通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環境下,功能和基因表征都會出現變化,但回地面后基本又會退回地面狀態,也有一些會發生改變。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。

太空轉身

知識點:角動量守恒

實驗現象:三位航天員展示了太空漫步及轉身。這個原本在地面上輕易能做的普通動作,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,由于地球引力的作用,人與地面之間有壓力和摩擦力,所以轉身很容易;在太空完全失重的環境中,人和地面的壓力、摩擦力消失,要實現轉身就不太容易了,必須找到一個著力點,在力的作用下才能轉身。如果沒有著力點,人體還可以利用角動量守恒實現太空轉身。

浮力消失實驗

知識點:重力和浮力相輔相成

實驗現象:在地球上,乒乓球會浮在水面。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鐵球放在水面,它也不會沉下去。

水膜張力實驗

知識點:液體表面張力

實驗現象:王亞平將一個金屬圈插入飲用水袋并抽出后,形成了一個透明的水膜。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為張力。不管是地球上還是太空中,液滴產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,水的重力會把這張膜“撕破”,所以不能在地面上形成穩定的大水膜。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。

水球光學實驗

知識點:透鏡成像原理

實驗現象:當上一個實驗中的水膜經過注水變成大水球后,上面映出王亞平倒立的人像。當她往水球中注入空氣,水球上呈現出一大一小、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凸透鏡,能匯聚光線。王亞平站在遠處,大家眼里看到的是她倒立縮小的像。往水球中注入空氣,空氣球部分相當于一個凹透鏡,會發散光線,所以大家看到的是她正立縮小的像。

泡騰片實驗

知識點:微重力環境

實驗現象:王亞平往藍色水球里塞入半片泡騰片,做了一個藍色的太空歡樂球。水球中產生了很多小氣泡,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,在水中反應生成不穩定的碳酸,碳酸分解產生二氧化碳氣體,無法繼續溶于水的氣體以氣泡的形式存在。

在地面上,水的自重而產生的壓強在氣泡周圍不均勻,總體上,下側壓強比上側壓強大,凈力為向上的浮力,浮力大于氣體自重,氣泡上浮;而在微重力的空間站中,壓強差不再明顯,浮力無法體現。此時水的表面張力起到了決定性作用,氣泡被表面張力約束,就不會逸出到水球外。(記者李碗容 狄鑫 實習生 黃蓓 黃舒慧 通訊員 賈法雷 蘇敏 高翔)

責任編輯:hnmd003

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