從中國(guó)首次太空算起來(lái)已經(jīng)8年了，就在中國(guó)空間站全面建設(shè)期，我們將迎來(lái)“最美太空教師”王亞平第二次“太空授課”，而這一次意義更加重大，因?yàn)槲覀冊(cè)谧约旱目臻g站上開(kāi)展太空課程。

2013年，王亞平在天宮一號(hào)進(jìn)行單擺實(shí)驗(yàn)

8年前的5項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，讓熒幕前6000多萬(wàn)青少年和老師，歡欣鼓舞，激發(fā)他們探索科學(xué)的熱情，一些中學(xué)生看完直播就迎來(lái)了中考，而航天夢(mèng)的種子已經(jīng)扎在心里，引領(lǐng)以后他們走上航天事業(yè)，成為棟梁之材。

2013年6月20日，王亞平在天宮一號(hào)進(jìn)行陀螺試驗(yàn)

與上次一樣，中國(guó)空間站的首次授課課程經(jīng)過(guò)精心安排，細(xì)心的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn)：這一次多了3項(xiàng)，加入了浮力、光學(xué)實(shí)驗(yàn)，而上次的“水膜張力實(shí)驗(yàn)”、“水球?qū)嶒?yàn)”被保留下來(lái)。而湯洪波特別想看的“泡騰片實(shí)驗(yàn)”被加入了進(jìn)來(lái)。那么在8項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是如何選定的，有什么特殊含義嗎？為何保留與水相關(guān)的實(shí)驗(yàn)？這些實(shí)驗(yàn)背后有什么樣的科學(xué)原理呢？

2021年12月9日中國(guó)空間站首次授課課程表

本文一次性講清楚，也請(qǐng)觀眾姥爺們耐心看完，了解一些新知識(shí)。

載人航天重要任務(wù)之一：科學(xué)實(shí)驗(yàn)和太空科普

早在2013年6月20日，神舟十號(hào)航天員王亞平在聶海勝、張曉光的協(xié)助下，在距離地球400公里的天宮一號(hào)飛行組合體中開(kāi)展了太空首次授課，全國(guó)8萬(wàn)多所中小學(xué)，6000萬(wàn)師生觀看了直播。

當(dāng)時(shí)我國(guó)的天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)剛剛完成一年，深空測(cè)控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋能力從20%一下子提升到98%，這為直播提供了通信保障。

天鏈中繼衛(wèi)星示意圖

作為載人航天的重要目標(biāo)之一：科學(xué)實(shí)驗(yàn)，得以展示在公眾面前。太空環(huán)境下的失重、真空、潔凈、安靜、深冷等條件都是地球上無(wú)法獲得或者營(yíng)造模擬成本太高的資源。作為首次授課就將容易呈現(xiàn)天地差異的實(shí)驗(yàn)被選擇了出來(lái)，失重演示首當(dāng)其沖。

太空給人直觀的感覺(jué)得人人會(huì)“輕功”，航天員可以像魚兒在水中暢游，力舉千鈞也不在話下……失重給我們的感受十分深刻。同時(shí)，失重環(huán)境下一些物理規(guī)律就與重力環(huán)境下差異巨大。

例如：液體的自然對(duì)流會(huì)基本消失；液體的浮力會(huì)基本消失；液體的約束力主要來(lái)自表面張力；浸潤(rùn)現(xiàn)象和毛細(xì)現(xiàn)象加劇……

國(guó)際空間站航天員演示擰毛巾

利用失重條件，科學(xué)實(shí)驗(yàn)可以為以后的“太空制造”提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能實(shí)現(xiàn)什么，就取決于人類的想象力，所以太空授課是在激發(fā)各行各業(yè)的想象力。

在失重環(huán)境下，混合物可以更加均勻，從而制造地球上無(wú)法獲得的特種合金材料；融化金屬，充入空氣進(jìn)入液態(tài)金屬內(nèi)部，我們就能得到氣泡均勻分布的泡沫金屬；融化狀態(tài)的金屬，只要控制體積，就能獲得絕對(duì)球形的滾珠，十分耐磨損……

可以說(shuō)，單就太空的失重條件，進(jìn)行富有想象力的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，最終都能推動(dòng)人類科技發(fā)展、制造工藝實(shí)現(xiàn)突飛猛進(jìn)。

王亞平在中國(guó)空間站飛翔

所以，進(jìn)行太空科普課程，一方面激發(fā)青少年科學(xué)熱情，另一方面讓各行各業(yè)開(kāi)拓眼界，思考太空資源與行業(yè)的結(jié)合點(diǎn)。

就拿目前現(xiàn)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的半導(dǎo)體芯片行業(yè)，如果在太空進(jìn)行晶圓生產(chǎn)，獲得的產(chǎn)品要比地球上更加均勻，沒(méi)有缺陷。

目前，人類在太空開(kāi)展了眾多科研項(xiàng)目，如太空醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究、生物工程、空間技術(shù)、材料科學(xué)、教育活動(dòng)、地球物理學(xué)及對(duì)地觀測(cè)等7個(gè)方面的科技研究性應(yīng)用。

太空結(jié)晶試驗(yàn)

由此可見(jiàn)，太空教育已經(jīng)成為載人航天不可或缺的一部分。

多方考慮選定課程，直觀、安全、便捷最重要

2013年6月20日，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首次，世界第二次太空授課，航天員利用質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺、水膜和水球這5項(xiàng)太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)，直觀的演示失重環(huán)境下的天地規(guī)律異同。

青少年通過(guò)觀看太空授課過(guò)程，加深了對(duì)質(zhì)量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解，對(duì)太空有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

2013年6月20日，王亞平在天宮一號(hào)進(jìn)行水球試驗(yàn)

就內(nèi)容深度上來(lái)說(shuō)，我國(guó)的首次太空授課更加有深度，科技含量更高，因?yàn)槊绹?guó)的授課內(nèi)容主要是太空日常生活的展示，而我國(guó)的課程是從生活中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象出發(fā)，在太空進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生深刻影響的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

不過(guò)，這些課程設(shè)置十分不容易，對(duì)于選擇那些項(xiàng)目在太空課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，太空授課專家組費(fèi)了不少心?？偟膩?lái)說(shuō)，按照以下原則：

首先，選擇直觀感覺(jué)對(duì)比明顯。太空與地球環(huán)境差異巨大，對(duì)比強(qiáng)烈的失重條件最為適合；

其次，選擇安全可靠的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在太空中物理、化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)都可以進(jìn)行，但是選擇實(shí)驗(yàn)器材安全可靠、質(zhì)量小、體積小、功耗小、對(duì)航天員健康無(wú)影響、不會(huì)污染座艙環(huán)境。

2013年，地面課堂學(xué)生在觀看太空授課

最后，選擇創(chuàng)意新穎和簡(jiǎn)單可行的項(xiàng)目。

太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)有多種，如材料加工實(shí)驗(yàn)、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、失重科學(xué)實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)和生命實(shí)驗(yàn)、對(duì)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)等。王亞平首次太空授課的主要內(nèi)容是有關(guān)失重科學(xué)的實(shí)驗(yàn)，另外，她當(dāng)時(shí)還進(jìn)行了多項(xiàng)醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

中小學(xué)生觀看首次太空授課

當(dāng)時(shí)，太空授課專家組先后研究了很多實(shí)驗(yàn)方案，比如“磁鐵吸人”、“太空點(diǎn)蠟燭”等實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槠渚哂形ｋU(xiǎn)性，最終被否決。篩選后的“竹籃打水”、“乒乓球”（展示伯努利原理）、“回旋鏢”、“溜溜球”和“跳繩”等20多種方案。

2013年，學(xué)生在店進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)

專家組根據(jù)“科學(xué)性、教育性、趣味性、可行性、可視性、即時(shí)性、操作性和安全性”等原則，經(jīng)過(guò)集思廣益、反復(fù)篩選、嚴(yán)格論證，最終確定進(jìn)行2個(gè)方面的物理實(shí)驗(yàn)，即物體運(yùn)動(dòng)特性和液體表面張力。

選擇水做試驗(yàn)材料，原因很簡(jiǎn)單：

一、航天員在太空生活必備，人們?cè)诘厍蛏弦彩敲刻於冀佑|，對(duì)比強(qiáng)烈。

二、失重環(huán)境下，水膜、水球?qū)嶒?yàn)連貫，可以演示液體的各種力學(xué)表現(xiàn)。

三、國(guó)際空間站以前做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，我們?cè)谄浠A(chǔ)上進(jìn)行深化。

5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，給青少年留下了深刻的印象，也激發(fā)了他們的航天夢(mèng)，激勵(lì)著他們愛(ài)好科學(xué)，探索科學(xué)的熱情。8年后，經(jīng)典的水膜、水球試驗(yàn)被保留了下來(lái)，并且增加了新的學(xué)科和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目延生。

繼往開(kāi)來(lái)，8項(xiàng)實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)原理

對(duì)比2次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我們可以發(fā)現(xiàn)與水有關(guān)的實(shí)驗(yàn)都被保留了下來(lái)。并且在中國(guó)空間站上的項(xiàng)目有了重大變化：

一、項(xiàng)目增加了航天員在空間站生活、工作等情況的介紹，因?yàn)檫@是中國(guó)空間站全面建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，我們都很關(guān)心航天英雄的生活和工作情況。

2013年，神舟十號(hào)航天員在進(jìn)行太空授課

二、項(xiàng)目涉及的學(xué)科更加豐富，涵蓋了生物學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科。

三、太空乘客更長(zhǎng)了。從課程表來(lái)看，預(yù)計(jì)直播時(shí)間更長(zhǎng)，這主要得益于我國(guó)天鏈中繼衛(wèi)星組網(wǎng)全面完成，深空測(cè)控網(wǎng)不斷完善。可以實(shí)現(xiàn)高清、低時(shí)延的直播。

2013年，王亞平太空授課

課程設(shè)置的項(xiàng)目主要是演示失重環(huán)境下和地球上產(chǎn)生的對(duì)比，已經(jīng)學(xué)習(xí)物理課程的朋友做下受力分析就能明白其中的科學(xué)原理。而新加入的“水球光學(xué)試驗(yàn)”實(shí)際上8年前就已經(jīng)展示過(guò)，只是當(dāng)時(shí)王亞平老師主要在講解水球表面張力，和顏色擴(kuò)散知識(shí)，沒(méi)有作為重點(diǎn)來(lái)講解。

太空中帶有氣泡的水球

我們可以看到制作水球時(shí)，從中可以清晰地看到王亞平老師的倒影，這是因?yàn)槭е氐脑颍虺蔀橐粋€(gè)水晶球的一樣的組合凹凸鏡，光線穿過(guò)它時(shí)會(huì)發(fā)生兩次折射，從而在另一邊形成方向完全相反的圖像。

空間站里重力幾乎為零，如果沒(méi)有氣流擾動(dòng)，水會(huì)在表面張力的作用下團(tuán)成一個(gè)幾乎完美的透明圓球，就像水晶球那樣顯示出倒影來(lái)。所以這些經(jīng)典試驗(yàn)被保留了下來(lái)，這就是“溫故而知新”

而讓湯洪波特別想看的“泡騰片實(shí)驗(yàn)”也非常有意思，在地球上把泡騰片扔進(jìn)放滿水的杯子中，因?yàn)槠浜?span id="mnoqjwv" class="candidate-entity-word" data-gid="4068929">碳酸氫鈉和檸檬酸，遇到水會(huì)產(chǎn)生急劇反應(yīng)，產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)馀?，不斷升騰到杯口。

但是，在太空則完全不同，由于缺少對(duì)流和浮力，泡騰片產(chǎn)生的氣泡一直附著在容器底部停留很長(zhǎng)時(shí)間，最后形成一個(gè)大氣泡，懸浮在水中。

太空中加熱試驗(yàn)產(chǎn)生的氣泡情況

其實(shí)，不光泡騰片的氣泡出不來(lái)，因?yàn)闆](méi)有重力，在太空不同的介質(zhì)沒(méi)有分層趨勢(shì)，而呈彼此懸浮和均勻分散的空間分布狀態(tài)，水和油很容易的混合在一起，出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，即由于表面活性劑的作用，使本來(lái)不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起的現(xiàn)象。

沒(méi)有了對(duì)流現(xiàn)象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，且其火焰呈球狀，碳黑也能夠充分燃燒，使火焰呈藍(lán)色。

太空中蠟燭燃燒情況，左邊是在地球上，右邊為太空中

太空資源豐富，空間實(shí)驗(yàn)一舉多得

太空的資源十分豐富，值得不斷探索，而空間試驗(yàn)作為科學(xué)研究的重要手段，是空間應(yīng)用系統(tǒng)十分重要的部分，隨著中國(guó)空間站的全面建成，我們的航天員將從“兼職科學(xué)家”向全面科學(xué)家轉(zhuǎn)變。

一些專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)家有望登陸太空，在太空環(huán)境下進(jìn)行更為先進(jìn)的科學(xué)研究。空間站作為我國(guó)在太空的母港，將滿足他們?cè)谔烊坏母哒婵铡?span id="ktlyrwy" class="candidate-entity-word" data-gid="5248077">微重力、超潔凈環(huán)境下的眾多科學(xué)研究。

太空科普課程也將成為不可或缺的一部分，從王亞平首次在太空授課，到航天員們每年都參與地面上各種太空科普活動(dòng)，我們的航天員既是航天英雄，也是科普的先行者，為科學(xué)事業(yè)辛勤奉獻(xiàn)。

王亞平在做科普活動(dòng)

航天員在太空中與地面的青少年的互動(dòng)問(wèn)答能讓熱愛(ài)科學(xué)的孩子們獲得新知識(shí)，也不斷地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

2013年，王亞平在太空中與青少年進(jìn)行了天地問(wèn)答，解答了諸多有趣的問(wèn)題。2016年，神舟十一號(hào)航天員景海鵬和陳冬在天宮2號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用香港中學(xué)生太空科技設(shè)計(jì)大賽獲獎(jiǎng)的雙擺實(shí)驗(yàn)裝置、薄膜成型實(shí)驗(yàn)裝置、太空養(yǎng)蠶實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展了航天科普活動(dòng)。

陳冬在天宮二號(hào)做科學(xué)實(shí)驗(yàn)

2021年，中國(guó)空間站首次太空授課，必將載入史冊(cè)，因?yàn)檫@一刻，我們?cè)谑澜缟鲜讉€(gè)獨(dú)立國(guó)家擁有的空間站上進(jìn)行太空教育只是一個(gè)開(kāi)始，以后將進(jìn)入常態(tài)化，這是我們載人航天的重要成果，令人自豪。#中國(guó)空間站首次太空授課##王亞平太空授課#

2021年，中國(guó)空間站首次太空授課

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