「本文来源：大连日报」/大连新闻传媒集团记者孟清/12月9日下午，神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站进行了太空直播授课。我市中小学生在校集中观看后，纷纷赞叹：“天宫课堂”的直播太精彩了！每个实验都非常有趣！而那些实验和现象的背后蕴含着怎样的知识，也引起了孩子们极大的兴趣和好奇。为此，记者连线了大连理工大学基础物理国家级实验教学示范中心高级工程师、市级基础物理科普教育基地负责人、物理学博士刘升光，请他一一解读“天宫课堂”直播背后的知识点。浮力消失实验问：在地面上，乒乓球会漂浮在水面上，在太空中，乒乓球为何能停留在水中呢？答：在地面上，乒乓球之所以能够漂浮在水面上，相信大家都会想到，这是由于水的浮力造成的，那么在太空中，水的浮力为什么消失了呢？浮力到底是什么力呢？这就要从力的本质说起。迄今为止，物理学家们发现支配我们宇宙的只有四种基本力——万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。相比其他三个基本力，万有引力是我们最为熟悉的，任何两个物体之间都会产生万有引力，万有引力的大小与物体的质量以及两个物体之间的距离有关，物体质量越小，相互距离越远，万有引力就越小。日常生活中的物体由于质量太小，它们之间的引力作用基本忽略不计也感觉不到，但是如果对于像地球这么大的天体而言，万有引力的作用就不可小觑了。碰倒花瓶摔碎到地上、走路不小心被绊倒、爬山累得气喘吁吁，都和万有引力有密切的关系。浮力不是四种基本力之一，它的本质是由万有引力产生的。在地面上，水与地球之间的引力使水内部存在压强，距离水面越深的地方，压强越大，就像我们在游泳池潜水的时候，可以明显地感觉到水底的压强会大于水面的压强。由于乒乓球竖直方向上受到的压强大小不同，下方水的压强大于上方，从而使乒乓球上浮，这就是浮力的本质。太空中，中国空间站大约90分钟绕地球一圈，空间站在轨道上运动的时候会有离心力，作用于空间站和宇航员身上的离心力与地球的万有引力相等，并且方向相反，从而造成了失重的状态。失重环境下乒乓球没有上下表面的压强差，自然就没有浮力，所以乒乓球会悬浮在水中，不能像在地面一样浮起来。水球光学实验知识点：凸透镜成像原理问：为什么在地面上无法形成水球，在太空中就可以呢？为什么水球中会呈现倒立的像？为什么在水球中加入气泡后，还会出现一个正立的像呢？答：在地面上，万有引力的作用会使水球整体受力不均匀，产生一个指向地心的引力，在这个力的作用下，水球极易变形发生破裂，所以在地面上无法实现用金属环插入饮用水袋中拉出水膜形成水球的实验现象。在太空中，由于失重条件，用金属环形成水膜后，水分子之间的相互作用力即电磁力，使水膜各处受力均匀，所以在水膜两侧加水不会破裂。而且，水与空气界面存在着表面张力，表面张力使水趋向于表面积最小化，而在同等体积下球体的表面积是最小的，因此不断加水会使得水膜变成水球。当形成水球后，透过水球观察可以发现看到的人像都是倒立的。这是因为水球本质上是一个凸透镜，光线透过水球被汇聚。在光学中，如果一束平行光透过凸透镜，光线被汇聚到一个点上，这个点距离水球的距离就是凸透镜的焦距，焦距是透镜十分关键的参数，如果被观察的物体放在凸透镜的焦距上，透过透镜，我们可以看见放大后的物体，这就是放大镜的工作原理，如果物体放在凸透镜的焦距以外，我们在另一侧看到的就是倒立的像。凸透镜在日常生活中有很多应用，根据物体距离透镜距离的不同，可以制成照相机、投影仪、放大镜等物品。在水球中注入气泡后，光从水球一侧传播过来，先透过一半的水层抵达中心气泡，此时相当于透过一个凸透镜，成像是倒立的。光继续传播，从中心气泡又经过水层到水球对面侧，此时相当于又透过一个凸透镜，像又被倒立了一次，因此透过水球中的气泡会看到一个正立的像。揭秘天空呈现的颜色知识点：光的散射原理问：为什在地球上看到天空是蓝色的，在太空中看到“天空”是黑色的呢？答：在天宫直播中，王亚平老师向我们展示了睡眠区舷窗外的太空景色，透过舷窗我们看到太空的“天空”一片漆黑。而我们在地球上，抬头仰望天空时，看到的却是蓝色，这是为什么呢？在万有引力的作用下，地球的周围存在着大气层，大气层中的气体成分主要由氮气和氧气组成。当太阳光穿过大气层入射到地球表面时，比光的波长小的空气分子会引起光的散射，使光线偏离原来的传播路径向四周传播。太阳光中的可见光按照红、橙、黄、绿、蓝、紫的顺序，波长依次变短，波长越短在大气中越容易被散射。因此，在空气中被散射的紫色光和蓝色光要远多于红色光，映入眼中的紫色光和蓝色光要多于红色光。但是，我们看到的天空不是紫色而是蓝色，这是因为我们眼睛感知颜色的视锥细胞对蓝色光的敏感度要高于紫色光的敏感度，这就是我们看到的天空是蓝色的原因。茫茫宇宙中，由于太“空旷”了，没有大气存在，光无法通过物质的散射或反射进入人眼，因此在太空中看到的“天空”是黑暗的。在宇宙尺度上，发光恒星之间的距离十分遥远，除了太阳，距离地球最近的恒星比邻星也在4.2光年之外，因此我们只能看见很微弱的光芒。太空中稀薄的物质与恒星之间遥远的距离，导致了太空的黑色。
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