昨天15时45分，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲。神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱和桂海潮组成的“博士乘组”在轨介绍了新“教室”——中国空间站梦天实验舱的工作生活场景，展示了一系列太空微重力环境下的奇妙科学实验现象。
天地互动的授课模式依旧延续。北京市、内蒙古自治区阿拉善盟、陕西省延安市、安徽省桐城市和浙江省宁波市共设5个地面课堂，约2800名学生代表现场听课。北京航空航天大学是北京地面课堂所在，也是桂海潮任职的学校。太空“出差”近4个月后，他的学生们再次看到老师上“讲台”。
9月21日，在内蒙古阿拉善盟额济纳旗，学生在做趣味实验。新华社发
9月21日，在北京航空航天大学，学生收看“天宫课堂”第四课。新华社记者 鞠焕宗摄
中国科学院附属实验学校师生做“天地对比”实验。本报记者 和冠欣摄
科学实验设备“躺”在头顶
梦天实验舱集中了空间站最多的科学实验设备，能够提供13个科学实验柜的安装空间。一上课，景海鹏就担任摄像师，通过镜头介绍“教室”。
与问天实验舱不同，梦天实验舱内没有设置睡眠区、卫生区等。它的气闸舱也不是用于航天员出舱活动的，其配备的载荷转移机构像一辆摆渡车，可以与舱外机械臂配合实现货物自动进出舱。在朱杨柱和桂海潮的引领下，镜头聚焦核心区域，两相系统实验柜、流体物理实验柜、在线维修装调实验柜等多台空间科学实验柜逐一露脸。
与地面不同，“教室”里的科学装置不是站在地面上，而是360度地摆放。这是因为在太空微重力环境下，没有上下左右等方位之分，所以镜头中，高温材料实验柜稳稳地“躺”在航天员的头顶。朱杨柱诙谐地把它比作“太空炼丹炉”——炉温可以达到1600摄氏度，能够开展各种新型材料的研究制备。
朱杨柱透露，首批在“炼丹炉”中接受高温考验的材料，已经跟随神舟十五号返回地面。其中，硒化铟半导体材料有非常好的柔性性能，可以任意弯曲和折叠，非常适合制作新型晶体管电子器件，有希望推动半导体技术的进步和升级换代。
“炼丹炉”附近，还有一台超冷原子物理实验柜。它可以创造接近绝对零度的超低温，能显现肉眼可见的宏观量子现象，帮助科研人员探索量子力学的奇异世界。
航天员脚下的设备学名为航天基础实验柜，正在进行微藻的培养与熟化、液态金属空间热管理等5项实验。他特别介绍了微藻实验——主要探索在失重环境下微藻的长期培养，开展微藻食品的原位加工等研究，“这是我们面向未来星际航行的一次非常有益的尝试和探索。”
在空间站里点“火”打“水”球
今年2月，梦天实验舱燃烧科学实验柜完成了首次点火实验。从回传图像可以看出，在微重力环境下，甲烷火焰变得短且圆。
这回开课，“博士乘组”在空间站里点起了蜡烛，邀请学生们观察火焰呈现的特点。朱杨柱先取出一支蜡烛，桂海潮划燃火柴尝试点燃。“在空间站点蜡烛其实存在一定风险，为此我们做了充分的准备。”桂海潮说。
在地面课堂，老师也点燃了一支蜡烛。天地之间，两根蜡烛的火焰一个呈现“蓝色，形状近似球形”，一个则是“亮橘色、锥形”。朱杨柱轻轻转动蜡烛，火焰形状几乎没有变化。而地面的蜡烛火焰会随空气流动摆动。
“地面有重力作用，热气上升，冷气下降，形成浮力对流，因此火焰呈现锥形。但空间站的微重力环境几乎消除了这种对流，燃烧后的气体向各个方向运动的趋势相同，因此不管蜡烛朝向哪个方向，火焰都近似球形。”桂海潮说，也正是因为对流微弱，氧气的补充不如地面及时，空间站里的蜡烛燃烧也不如地面充分，火焰的温度更低，才呈现出蓝色。
刚结束一场与火相关的实验，朱杨柱又做了一个“水”实验。他用水袋挤出一个水球，桂海潮拿起普通的乒乓球拍打过去，水球没被弹出，反而粘到了球拍表面。
朱杨柱拿出“秘密武器”——在轨运动时擦汗的干毛巾。将毛巾包在球拍表面，再一挥拍，水球变成了“乒乓球”。
“准备接球！”
“朱老师打了一个好球！”
这场太空“乒乓球赛”，演示了水的表面张力及疏水材料特性。北京交通大学物理科学与工程学院副教授陈征说，毛巾具有一定疏水性，让水不会被迅速吸入纤维内，而是待在纤维表面或被挤压到纤维之间，所以航天员才可以打“水球”。在日常生活中，类似的工艺被应用在冲锋衣、速干衣的面料中，当纤维间的空隙大于水分子的尺寸，就能做到既透气又速干。
“太空转身”再现空间站
随着课程推进，实验也从现象观察层面逐步深入到定量探究。“博士乘组”在梦天气闸舱舱门上贴了标准网格布，一平方米大小。桂海潮瞄准一个静止的钢球，抛出手中钢球。在网格布的衬托下，两球碰撞后的轨迹一目了然。
这个简单的碰撞实验，是为了验证空间里的动量守恒。陈征解释，碰撞现象在生活中很常见。但大家或许意识不到，现代物理学中最基础的动量、动能等概念，都是科学家在对碰撞问题研究的基础上建立的。
课堂上，还有经典再现。此前，神舟十三号乘组航天员叶光富抡起手臂转动，带动整个身体在空中旋转起来。再现“太空转身”，桂海潮用一个陀螺辅助。它可以纵向旋转，两侧均有握柄。
浮在空中的桂海潮先握住静止的陀螺，左右手交替抬高、放下，身体姿态没有发生变化。当朱杨柱让陀螺快速转动起来后，再做出同样动作的桂海潮，身体明显发生了转动。这体现的是角动量守恒原理。
“同学们可以把我的身体想象成空间站，双手和手中的陀螺，是一种特殊装置，叫做控制力矩陀螺。”桂海潮说，这个装置能实现四两拨千斤。仅需几百公斤的陀螺，就能让重量近百吨的空间站在太空中轻松自如地转身。
“需要注意的是，角动量有大有小，不管是让桂老师转身，还是让空间站转身，陀螺的重量、尺寸、转速等都经过了定量设计和计算。不然的话，效果就没那么好了。”朱杨柱将话题延伸到了科研过程，做科学研究绝不能停留在定性观察，应该透过现象看本质。物理学是一门高度定量化的学科，挖掘现象背后的定量特性，才能更好地掌握规律、运用规律。
记者对比历次“天宫课堂”的课表发现，“太空教师”的授课内容正逐渐从引起学生对科学的兴趣转向展开科学探究。此次授课过程中，航天员专门提供了实验小球的质量、网格布尺寸等基础信息。“碰撞实验的背景加挂网格布，是我提出的建议，很荣幸被采纳了。”陈征说，有了可参照的背景，低龄的学生能更清晰地观察到碰撞现象，高年级学生则可以从中获得位置信息，这就是从定性走向定量。“对物理教师来说，这段视频也能成为日后课堂教学的素材。”
太空答疑
在空间站没看到太空垃圾
内蒙古地面课堂学生：能看到太空垃圾吗？空间站有没有采取相应的防护措施？
景海鹏：太空垃圾一般被称为太空碎片或空间碎片，确实存在，对空间站的潜在危害也不小。我们经常透过空间站的舷窗去看，甚至还用望远镜去找。不过到目前为止，还没有发现太空垃圾的踪影。航天科技人员会时刻紧盯太空垃圾，一旦发现对空间站存在威胁的，会通过轨道机动等措施主动规避。空间站也安装了一些防护装备，仿佛穿上了铠甲，即使碰到一些空间碎片也没关系。
出舱遇到阳照区要戴“墨镜”
浙江地面课堂学生：与地面上看到的太阳和与飞机上看到的地球相比，在空间站看地球、看太阳有什么区别？朱杨柱：在空间站看地球，更加辽阔、更加壮观。
在空间站看太阳则要格外注意。因为没有了大气层，阳光会变得特别强烈耀眼。出舱活动时，航天员在阳照区必须使用特殊的防护面窗，类似专用“墨镜”，防止眼睛被灼伤。在空间站，航天员一天可以看到16次日出日落。
每天都要进行体育锻炼
陕西地面课堂学生：在太空长期“出差”，怎样克服失重环境对人体的不利影响？
朱杨柱：失重环境对航天员的影响包括体液的重新分布、肌肉萎缩、骨丢失等。不过不必担心，科研人员为航天员精心设计了企鹅服等防护设备。航天员每天都要进行体育锻炼，大到太空跑台、太空自行车、抗阻锻炼设施，小到握力器、拉力器等，都可以帮助对抗肌萎缩和骨丢失。目前，这些防护措施非常有效。
空间站安装了北斗定位设备
北京地面课堂学生：空间站在太空中飞行，周围没有明显的参照物，该怎样判断空间站的姿态和轨道变化？
桂海潮：空间站上安装有特殊的敏感器，包括地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等，帮助空间站确定姿态。同时，我国的北斗卫星定位系统也能为空间站“指路”。
空间站在太空中的飞行是有特定规律的，可以用轨道力学的方法计算“将往哪儿去”。航天员只需打开仪表，空间站的“地理信息”就一目了然了。
1亿年误差不超过1秒
安徽地面课堂学生：高精度时频实验柜到底有多精准？有哪些用途？
桂海潮：目前，地面的原子钟可以做到千万年误差不超过1秒。而空间站内的冷原子微波钟可以做到1亿年误差不超过1秒。这种超高精度的时间基准，既能用于基础物理的研究，如支撑相对论等相关理论的高精度检验，也可以为太空中飞行的卫星提高定位精度及其他性能。
现场反响
“或许未来有机会让桂老师乘坐我们设计的飞船，再上太空！”
本报记者 刘苏雅
北京航空航天大学宇航学院直博生苏文杰是桂海潮的学生，通过视频方式在课上见到自己的导师，她心情激动地说，空间站是一个很棒的科研平台，很多地面无法开展的实验都能在这里开展，“希望未来能在太空中看到更多实验，我也期待投身航天事业，或许未来有机会让桂老师乘坐我们设计的飞船，再上太空！”
作为北京地面课堂的教师，北京航空航天大学宇航学院副教授张晓天与桂海潮做了一次“天地搭档”。“看到桂海潮在空间站里，就像平时在办公室或实验室看到他的状态一样，我作为他的同事也特别高兴。”“桂老师这次太空之旅，对北航的学生来说，就是梦想照进现实的过程。”北京航空航天大学宇航学院党委*刘睿说，这种天地对话的授课形式，能给学生更大的激励。“期待桂老师回到地球、回到学校，再为同学们讲述他在空间站的工作状态、研究方向，共同探索新的科学载荷研制，开展新的工作。”
“天地对比”实验点亮学生科学梦想
本报记者 牛伟坤
“同学们，把自己的桌面清一下。”昨天16时40分左右，中国空间站第四次太空授课刚结束，中国科学院附属实验学校化学老师王珍珠走上讲台，拿出准备好的蜡烛，继续开讲。
王珍珠小心点燃手中的蜡烛。“同学们，仔细看，老师手中蜡烛的火焰是什么形状的？”“锥形！”
“这跟大家刚刚看到的火焰不是一个形状。”她接着说，“刚刚空间站的老师给我们解释了，背后的差异与重力有关。”
在太空授课的基础上，王珍珠又补充了新的知识点，并不是所有的物质燃烧都会有火焰，可燃液体或固体须先变成气体，才能燃烧而生成火焰。
王珍珠简单的授课结束，物理老师李静笑吟吟地说：“我来给大家表演个小魔术。”她在一只手上铺上毛巾，另一只手拿起蘸有泡泡液的吸管，轻轻吹了一口气，小气泡轻轻脱落，还未碰到毛巾就消失了。学生们发出惋惜的声音。李静说：“这也告诉我们，实验不是一次就能成功的，做科研需要有毅力。”
多次尝试后，小气泡终于在毛巾上完成了多次弹跳。看到“魔术”成功，学生们发出赞叹。李静继续启发学生，希望同学们也能跳出常规，大胆设想，说不定哪天就会有新的发现。
“老师的补充实验让我对太空授课的内容有了更详细的了解，对科学产生了更加浓厚的兴趣。”九年级学生涂豫平说。学生双思成被燃烧实验深深吸引：“科学太有趣了！未来，我也要为科技的进步贡献自己的力量。”
来源：北京日报
本报记者 刘苏雅
流程编辑：u008
版权声明：文本版权归京报集团所有，未经许可，不得转载或改编。
,
