“天宮”授課：揭示太空奧秘

2013年6月11日，我國長征-2F遙十火箭成功把載有航天員聶海勝、張曉光和王亞平的神舟10號載人飛船送上九重天。在這次航天飛行中，最大的亮點之一是女航天員王亞平將為地面的青少年進行我國首次太空授課，開闢了我國太空教育的新篇章。

微重力環境：不一樣的世界

所周知，在太空飛行的載人航天器內與地面有天壤之別，最顯著的特點是存在地面難以模擬的長期失重環境。在那裏人人好像都會輕功，可以像游泳一樣隨意飄來飄去；航天員各個均能成為大力士，可毫不費力的舉起任何東西；他們的睡覺也不分上下，可以站睡，也能倒立睡，高興時還可不固定睡袋，當一回“夜游神”；吃東西也能像小鳥一樣，把食物放在空中后用嘴去接吃……當然，失重環境也給航天員搞個人衛生帶來麻煩，如刮鬍子、理髮、上廁所等都不容易。

利用太空失重環境，還可以進行材料加工、生物學、失重科學、醫學等太空科學實驗，從而大大加深對這些學科的理解和研究。其中在失重科學實驗方面，國外已進行了不少有關物理和化學等方面的太空實驗。

在載人航天器內可實現“竹籃打水水不空”的夢想，這是水只受自身表面張力而不受重力影響在作怪。液體的表面張力是一種物理效應，它可使液體表面總是試圖獲得最小的光滑面積。在失重狀態下，水和籃子接觸時，水可以在籃子表面自由延展，另外，籃子可以起到表面張力附點的作用而鎖住水，所以水就可以留在有較大空隙的竹籃中。

所周知，水燒開時會出現沸騰現象，這是因為水在被加熱時，底部的水先變成蒸汽，使容器底部生小氣泡，並被重力引起的對流帶到容器上部，當容器中的水受熱超過其飽和溫度時，在水的內部和表面同時發生劇烈汽化的現象，整個水就沸騰了。但在太空失重狀態下，由於沒有對流和浮力，加熱生的氣泡會一直附在容器底部停留很長時間，最后形成一個大氣泡，飄浮在水中。

在地面如果將加熱的蜂蜜倒入盛水的容器中，由於蜂蜜的密度大於水，所以會在重力的作用下很快沉澱到容器底部，但如果在載人航天器內進行相同的實驗，由於沒有重力的影響，所以可以看到蜂蜜不再往下沉，而是懸浮在水中。在失重環境中，水和油也能很容易的混合在一起，出現乳化現象，即由於表面活性劑的作用，使本來不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起。

燃燒是一種常見現象，但其過程與重力有很大關係，可能是一般人沒有想到的，常見的淚珠狀火焰就是因為重力引起的對流生的。蠟燭在地面燃燒時，由於加熱后的周圍氣體密度低而上升、較冷的氣體從下面補充進來形成的對流作用，將蠟燭的火焰拉長呈淚珠狀，並且由於炭黑來不及充分燃燒就被帶走，使火焰呈紅黃色。在太空失重環境中，沒有了對流現象，蠟燭不僅燃燒速度比地面慢得多，且其火焰呈球狀，炭黑也能夠充分燃燒，使火焰呈藍色。

太空教育：連接公與航天的橋樑

太空微重力世界是如此奇妙，為此，在載人航天器上開展太空教育具有重要意義，它可以使青少年及公走近航天、了解航天，還能更好地理解科學規律。太空教育已成為載人航天的一項重要內容，是連接公與載人航天事業的最好橋樑。

太空教育有多種形式，其中在太空授課是最典型的一種方式。此前，全球只有美國女航天員巴巴拉·摩根曾於2007年在“國際空間站”上對地面青少年進行過一次授課。摩根是美國首名太空女教師克麗斯塔·麥考利夫的替補，麥考利夫於1986年在乘挑戰者號上天時因航天飛機爆炸而犧牲了。2007年摩根實現了麥考利夫未完成的遺願，在太空利用失重環境向學生授課，生了較大影響。在摩根的太空授課活動中，一個學生想了解航天員是如何在太空中鍛煉身體的，摩根沒有直接回答，而是將身旁兩位身材魁梧的航天員舉了起來，一手一個，並裝出一副很吃力的樣子。另一個學生想知道如何在太空喝水，摩根便從一個特製的飲水袋中擠出幾個水珠，然后她和同事們用嘴接住四處飄動的水珠併吞下去。學生問摩根，航天員在太空中如何保持個人衛生，摩根馬上往自己的臉上噴射肥皂水，演示她是怎麼洗臉的。另一個航天員還演示了如何刷牙：漱口水需要吐到專用毛巾上，因為在太空微重力環境下，水不會往低處流。

[NT:PAGE=$]我國原定由神舟9號航天員在太空為青少年授課，但后來因任務緊張而取消了。這次神舟10號航天員王亞平將在天宮1號內通過電視直播的形式進行我國第一次、世界第二次太空授課，向地面的中小學生展示失重條件下的特殊物理現象，了解液體表面張力的作用，從而加深對質量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解。由此可見，美國女航天員摩根太空授課的內容是介紹和演示太空生活，而我國女航天員王亞平太空授課的內容是介紹和演示物理概念，所以后者科技含量較高，但難度也較大。王亞平具體展示哪些特殊物理現象值得期待。

由於太空授課的次數和時間十分有限，而太空實驗對青少年又有很好的啟迪作用，所以各種太空實驗除了可採用太空授課的方式進行演示外，目前還常採用視頻傳輸的方式進行演示，即航天員在載人航天器內錄製學生感興趣的太空實驗，然后在通信通道不忙時把教育演示視頻用中繼衛星傳輸到地面。目前，在“國際空間站”已錄製了數以百計的教育演示視頻，其中不少是演示物理定義和規律等。

延伸讀

青少年也能參與太空實驗

利用失重環境可以為人類造福。例如，在失重環境中混合物可以均勻地混合，由此可以製成地面上不能得到的特種合金；也能製成一種新的泡沫金屬。失重時在液態金屬中通以氣體，氣泡不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分佈在液態金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣可以製成輕得像軟木塞似的泡沫鋼，用它做機翼，又輕又結實；由於液體中密度不同的成分不會發生沉澱和對流，所以在太空採用電泳技術生的有些品量比地面高幾百倍，純度高幾倍，成本也更低；可進行無容器的“懸浮冶煉”，消除了容器對材料的污染，獲得純度極高的品，等等。

吸引青少年參加太空科學實驗項目已成為載人航天的重要應用之一。2012年，美國“龍”飛船把全美多所高校學生參與的23項研究運送到太空，后又帶回地面。這些學生的研究項目是“學生航天飛行實驗計劃”的一部分，該計劃給學生提供機會，設計微重力下物理、化學和生物學方面的研究項目。

我國曾從全國各地征集的上萬份提案中，評選出5項由中小學生提出的上天方案。它們是：用膠粘法控制航天飛機艙內垃圾；液態混合物的凝固；微重力環境對草履蟲生長和繁殖的影響；失重環境中固-液表面間的相互作用；蠶吐絲織繭實驗。這5項實驗先后登上美國的航天飛機。在前4項實驗中除了草履蟲實驗由於電池工作壽命限制未獲得成功外，其余3個方案都取得很好的結果。最不幸的是第5項蠶寶寶實驗，由于哥倫比亞號航天飛機在返回過程中解體，這項實驗也歸於流。為了實現學生們的心願，我國航天部門讓蠶寶寶登上了中國的第22顆人造衛星。太空蠶回到地面后，學生們與科學家一起分析太空飛行對蠶寶寶和它們后代的影響。

開展青少年太空實驗活動，不僅鍛煉了青少年的獨創能力和實驗設計能力，而且激發了青少年們熱愛航天事業、獻身航天事業的熱情。例如，被採納的前4項航天飛機實驗的學生在中學畢業后，都免試進入北京航空航天大學和哈爾濱工業大學，畢業后有的學生還加盟到中國航天的隊伍中。