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“天宫”授课:揭示太空奥秘

2013年06月20日07:58    来源:北京日报     手机看新闻

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“天宫”授课:揭示太空奥秘

  地面蜡烛火焰(左)与太空蜡烛火焰(右)。

“天宫”授课:揭示太空奥秘

  太空里,水珠停留在植物的叶片上。

“天宫”授课:揭示太空奥秘

  地面上的沸腾水(左)和太空中的沸腾水(右)。

“天宫”授课:揭示太空奥秘

  学生与航天员进行视频通话。

  2013年6月11日,我国长征-2F遥十火箭成功把载有航天员聂海胜、张晓光和王亚平的神舟10号载人飞船送上九重天。在这次航天飞行中,最大的亮点之一是女航天员王亚平将为地面的青少年进行我国首次太空授课,开辟了我国太空教育的新篇章。

  微重力环境:不一样的世界

  众所周知,在太空飞行的载人航天器内与地面有天壤之别,最显著的特点是存在地面难以模拟的长期失重环境。在那里人人好像都会轻功,可以像游泳一样随意飘来飘去;航天员各个均能成为大力士,可毫不费力的举起任何东西;他们的睡觉也不分上下,可以站着睡,也能倒立睡,高兴时还可不固定睡袋,当一回“夜游神”;吃东西也能像小鸟一样,把食物放在空中后用嘴去接着吃……当然,失重环境也给航天员搞个人卫生带来麻烦,如刮胡子、理发、上厕所等都不容易。

  利用太空失重环境,还可以进行材料加工、生物学、失重科学、医学等太空科学实验,从而大大加深对这些学科的理解和研究。其中在失重科学实验方面,国外已进行了不少有关物理和化学等方面的太空实验。

  在载人航天器内可实现“竹篮打水水不空”的梦想,这是水只受自身表面张力而不受重力影响在作怪。液体的表面张力是一种物理效应,它可使液体表面总是试图获得最小的光滑面积。在失重状态下,水和篮子接触时,水可以在篮子表面自由延展,另外,篮子可以起到表面张力附着点的作用而锁住水,所以水就可以留在有较大空隙的竹篮中。

  众所周知,水烧开时会出现沸腾现象,这是因为水在被加热时,底部的水先变成蒸汽,使容器底部产生小气泡,并被重力引起的对流带到容器上部,当容器中的水受热超过其饱和温度时,在水的内部和表面同时发生剧烈汽化的现象,整个水就沸腾了。但在太空失重状态下,由于没有对流和浮力,加热产生的气泡会一直附着在容器底部停留很长时间,最后形成一个大气泡,飘浮在水中。

  在地面如果将加热的蜂蜜倒入盛着水的容器中,由于蜂蜜的密度大于水,所以会在重力的作用下很快沉淀到容器底部,但如果在载人航天器内进行相同的实验,由于没有重力的影响,所以可以看到蜂蜜不再往下沉,而是悬浮在水中。在失重环境中,水和油也能很容易的混合在一起,出现乳化现象,即由于表面活性剂的作用,使本来不能混合到一起的两种液体能够混到一起。

  燃烧是一种常见现象,但其过程与重力有很大关系,可能是一般人没有想到的,常见的泪珠状火焰就是因为重力引起的对流产生的。蜡烛在地面燃烧时,由于加热后的周围气体密度低而上升、较冷的气体从下面补充进来形成的对流作用,将蜡烛的火焰拉长呈泪珠状,并且由于炭黑来不及充分燃烧就被带走,使火焰呈红黄色。在太空失重环境中,没有了对流现象,蜡烛不仅燃烧速度比地面慢得多,且其火焰呈球状,炭黑也能够充分燃烧,使火焰呈蓝色。

  太空教育:连接公众与航天的桥梁

  太空微重力世界是如此奇妙,为此,在载人航天器上开展太空教育具有重要意义,它可以使青少年及公众走近航天、了解航天,还能更好地理解科学规律。太空教育已成为载人航天的一项重要内容,是连接公众与载人航天事业的最好桥梁。

  太空教育有多种形式,其中在太空授课是最典型的一种方式。此前,全球只有美国女航天员巴巴拉·摩根曾于2007年在“国际空间站”上对地面青少年进行过一次授课。摩根是美国首名太空女教师克丽斯塔·麦考利夫的替补,麦考利夫于1986年在乘挑战者号上天时因航天飞机爆炸而牺牲了。2007年摩根实现了麦考利夫未完成的遗愿,在太空利用失重环境向学生授课,产生了较大影响。在摩根的太空授课活动中,一个学生想了解航天员是如何在太空中锻炼身体的,摩根没有直接回答,而是将身旁两位身材魁梧的航天员举了起来,一手一个,并装出一副很吃力的样子。另一个学生想知道如何在太空喝水,摩根便从一个特制的饮水袋中挤出几个水珠,然后她和同事们用嘴接住四处飘动的水珠并吞下去。学生问摩根,航天员在太空中如何保持个人卫生,摩根马上往自己的脸上喷射肥皂水,演示她是怎么洗脸的。另一个航天员还演示了如何刷牙:漱口水需要吐到专用毛巾上,因为在太空微重力环境下,水不会往低处流。

  我国原定由神舟9号航天员在太空为青少年授课,但后来因任务紧张而取消了。这次神舟10号航天员王亚平将在天宫1号内通过电视直播的形式进行我国第一次、世界第二次太空授课,向地面的中小学生展示失重条件下的特殊物理现象,了解液体表面张力的作用,从而加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。由此可见,美国女航天员摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活,而我国女航天员王亚平太空授课的内容是介绍和演示物理概念,所以后者科技含量较高,但难度也较大。王亚平具体展示哪些特殊物理现象值得期待。

  由于太空授课的次数和时间十分有限,而太空实验对青少年又有很好的启迪作用,所以各种太空实验除了可采用太空授课的方式进行演示外,目前还常采用视频传输的方式进行演示,即航天员在载人航天器内录制学生感兴趣的太空实验,然后在通信信道不忙时把教育演示视频用中继卫星传输到地面。目前,在“国际空间站”已录制了数以百计的教育演示视频,其中不少是演示物理定义和规律等。

  延伸阅读

  青少年也能参与太空实验

  利用失重环境可以为人类造福。例如,在失重环境中混合物可以均匀地混合,由此可以制成地面上不能得到的特种合金;也能制成一种新的泡沫金属。失重时在液态金属中通以气体,气泡不“上浮”,也不“下沉”,均匀地分布在液态金属中,凝固后就成为泡沫金属,这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼,又轻又结实;由于液体中密度不同的成分不会发生沉淀和对流,所以在太空采用电泳技术生产的有些产品产量比地面高几百倍,纯度高几倍,成本也更低;可进行无容器的“悬浮冶炼”,消除了容器对材料的污染,获得纯度极高的产品,等等。

  吸引青少年参加太空科学实验项目已成为载人航天的重要应用之一。2012年,美国“龙”飞船把全美多所高校学生参与的23项研究运送到太空,后又带回地面。这些学生的研究项目是“学生航天飞行实验计划”的一部分,该计划给学生提供机会,设计微重力下物理、化学和生物学方面的研究项目。

  我国曾从全国各地征集的上万份提案中,评选出5项由中小学生提出的上天方案。它们是:用胶粘法控制航天飞机舱内垃圾;液态混合物的凝固;微重力环境对草履虫生长和繁殖的影响;失重环境中固-液表面间的相互作用;蚕吐丝织茧实验。这5项实验先后登上美国的航天飞机。在前4项实验中除了草履虫实验由于电池工作寿命限制未获得成功外,其余3个方案都取得很好的结果。最不幸的是第5项蚕宝宝实验,由于哥伦比亚号航天飞机在返回过程中解体,这项实验也归于流产。为了实现学生们的心愿,我国航天部门让蚕宝宝登上了中国的第22颗人造卫星。太空蚕回到地面后,学生们与科学家一起分析太空飞行对蚕宝宝和它们后代的影响。

  开展青少年太空实验活动,不仅锻炼了青少年的独创能力和实验设计能力,而且激发了青少年们热爱航天事业、献身航天事业的热情。例如,被采纳的前4项航天飞机实验的学生在中学毕业后,都免试进入北京航空航天大学和哈尔滨工业大学,毕业后有的学生还加盟到中国航天的队伍中。

(责编:魏艳、赵竹青)
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