太空一课,我的武林高手

太空一课,我的武林高手

2013年6月20日上午10点，在距离地球300公里的天宫1号和3号空乘人员的b室是中国年轻人的精彩“太空一课”。王亚平担任主讲老师,聂海胜配合,张晓光担任摄像师,向地面课堂演示了几项物理实验,展示了在物体在太空失重环境状态下的现象。航天员还与中国人民大学附属中学地面课堂的300余名中小学生进行了互动交流。学生,中学化人员从实际出发,示范授课10时许,北京市101中学物理教师史艺和人大附中物理教师宓奇登上讲台。简短的开场白之后,两位老师为同学们播放了一段精心剪辑的电视短片——《航天员在太空的衣食住行》。尽管同学们早已从科普读物和影视作品中了解到失重环境的奇妙,可是从大屏幕上看到神舟十号航天员像鱼儿一样自由游弋,仍不时发出会心的笑声。10时11分,北京航天飞行控制中心报告:已建立与航天员的双向通信链路。神舟十号航天员的身影清晰呈现在大屏幕上。他们身着蓝色舱内工作服,面带微笑向地面课堂的同学们挥手致意:“同学们,你们好!”“我是王亚平,本次授课由我来主讲。”航天员王亚平轻点脚尖,向天宫一号舱内摄像机镜头缓缓飞来。为了备好课,这位“主讲”可没少下功夫,不仅精心准备了授课内容,向专业教师虚心请教讲课技巧,还对个人形象进行了精心设计——扎起了秀气的马尾辫。只不过,在失重环境下,精心梳理的马尾辫变成了蓬松的“毽子”。“大家好!我是聂海胜,担任本次飞行任务的指令长。”指令长屈尊当起了“助教”,负责配合“主讲”管理教具,维护课堂秩序。由于天宫一号是精密的飞行器,航天员们的授课活动必须小心进行,既不能动作幅度太大、干扰到正常飞行,还要当心漂浮的实验器材、液滴影响到航天器安全。“大家好!我是张晓光,本次太空授课任务,我担任摄像师。”在失重环境下,保持自身平衡并不容易。张晓光要先用束缚带把自己固定在舱壁上,再用手持摄像机保持长时间稳定拍摄,才能把太空授课的精彩图像传回地面课堂。三位航天员老师“站”稳后,先给同学们露了几手“功夫”——“悬空打坐”、“大力神功”。在失重环境下,航天员们都成了“武林高手”,博得同学们阵阵喝彩。质量测量的应用没有了重量,是否意味着失去质量?地面上,我们是如何测量物体质量的呢?在地面,我们可以采用很多种方法测量物体质量。比如,在地面实验室,用台秤来测物体的质量;买菜的时候,我们用台秤、托盘称、电子称来测量菜的质量;在药房用杆秤来测量药材,用弹簧秤测量重力可以算出质量。之所以可以这样测量,是因为有地球引力的存在。那么,地面上测量质量的方法,在太空失重环境下还能用吗?太空中是如何来测量物体质量的呢?航天员老师用天宫一号上的质量测量仪现身说法。他们从天宫一号的舱壁上打开一个支架形状的装置,航天员聂海胜把自己固定在支架一端,王亚平轻轻拉开支架,一放手,支架便在弹簧的作用下回复原位。装置上的LED屏上显示出数字:74.0,这表示聂海胜的实测质量是74千克。王亚平向同学们解释道,天宫中的质量测量仪,应用的物理学原理是牛顿第二运动定律:F(力)=m(质量)×a(加速度)。质量测量仪上的弹簧能够产生一个恒定的力F,同时在质量测量仪中,设置一个弹簧凸轮机构,能够产生一个恒定的力,另外再通过光栅测速装置测量出支架复位的速度v和时间t,计算出加速度(a=v/t),就能够计算出物体的质量(m=F/a)了。认真的王亚平老师还给同学们布置了一道课后思考题:除了运用牛顿第二定律,还有什么办法可以在失重环境下测量物体的质量?半空中的两种运动单摆还会摆吗?我们都知道,在地面上,悬挂在摆轴上的小球,当给它一个力时,它会以摆轴为中心,做半圆周的往复摆动,且随加速度的变化而改变半圆周摆动的周长。那么,这种物理现象在太空中还会出现吗?航天员们又取出一个物理课上常见的实验装置——单摆。T型支架上,用细绳拴着一颗明黄色的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手,小球并没有出现地面上常见的往复摆动,而是停在了半空中。王亚平用手指沿切线方向轻推小球,奇妙的现象出现了,小球开始绕着T型支架的轴心做圆周运动——而在地面对比试验中,需要施加足够的力,给小球一个较大的初速度,才能使它绕轴旋转。其实,在太空中,小球处于失重环境状态,没有了回复力,不能像地面一样做往复摆动,所以把小球任意放到一位置,小球都会静止不动。但当稍稍给它一个初速度时,小球就会围绕着摆轴做圆周运动了。太空实验趣味无穷,地面课堂的学生们也不失时机地向航天员提出他们关心的问题。有学生问:“航天员老师,您在太空中有没有上下方位感?”为了回答同学的提问,航天员王亚平在聂海胜的帮助下表演了一套“杂技”动作,分别进行了悬空横卧和倒立。看到航天员老师的精彩表演,同学们兴奋地鼓起掌来。太空中的亚平老师告诉大家,自身感觉都是相同的,在方位上没有上下的区别。但是,我们看到的天宫一号舱内,还是有上、下方位设置的。这是因为在太空中为了便于工作和生活,天宫一号实验舱内人为地定义了上和下,并且把朝向地球的一方定义为下方,并铺设了地板。所以,在地面的我们看来,天宫一号舱内就如我们地面的房间一样,有白色的“天花板”,也有新的硬质地板,方便了航天员的生活和工作。旋转螺栓的定轴特性高速旋转的陀螺为什么不会倒下?小时候,我们经常会玩陀螺,因为只要给它一个初速度,它就会围绕中心不停地旋转,这是孩子们最喜欢玩的玩具。物理学原理告诉我们,高速旋转的陀螺具有很好的定轴特性。在太空失重环境下,这一特性更加直观地呈现出来。王亚平取出一个红黄相间的陀螺,把它静止悬放在空中。用手轻推陀螺顶部,陀螺翻滚着飞向远处。但当把陀螺先旋转起来,再给它一个干扰力时,陀螺还会跟之前一样运动吗?王亚平让陀螺旋转起来,悬浮在半空中,再用手轻轻一推,旋转的陀螺不再翻滚,而是保持着固定的轴向,向前飞去。王亚平介绍说,高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛。在天宫一号目标飞行器上,就装有各式各样的陀螺定向仪,正是有了它们,才能精准地测量航天器的飞行姿态。小水球从流动天宫里有没有“飞流直下”的瀑布?阳光下五彩缤纷的肥皂泡、能够让硬币漂浮的山泉水,总是带给人们很多遐想。这些都是液体表面张力在发挥着神奇作用。只不过,在地面上,液体表面张力难以抗衡地球引力的影响,只有经过特殊处理的肥皂水、富含无机盐的矿泉水才能表现出比较强的张力特性。但是,在太空失重环境下,液体的表面张力特性便突显出来。王亚平拿起一个航天员饮用水袋,打开止水夹,水并没有倾泻而出。轻挤水袋,在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠,略微抖动水袋,水珠便悬浮在半空中,小水球显得晶莹剔透,很漂亮!王亚平笑着说:“如果诗仙李白在天宫里生活,大概就写不出‘飞流直下三千尺’的名句了,因为,失重环境下水不可能飞流直下。”不过这些小水球,如果不把它们集中收集起来,它们会在空间到处乱飞,影响实验舱里的设备安全。因此,亚平老师采用了一种独特的方式,用口把水滴吸到嘴里,其实这就是航天员在太空中喝水的方式。之后,亚平老师给大家做了一个水膜实验。使用一个金属圈和一个水袋,把金属圈轻轻地放入水袋,然后再慢慢地抽出,这时在金属圈上形成一个大大的水膜。这在地面上可是很难实现的。在太空失重状态下,水的表面张力就会大显神威,所以普通水也能够轻松地形成漂亮的水膜。王亚平轻轻晃动金属圈,水膜也没有破裂,只是偶尔会甩出几颗小水滴。为了航天器的安全,用吸水纸把这些闪出的小水滴收集起来。随后,王亚平又往水膜表面贴上了一片画有中国结图案的塑料片,水膜依然完好。空气注入的正当性用神奇的液体表面张力变个“魔法”液体表面张力的威力竟如此神奇!普通的饮用水还能变成更加神奇的“魔法水球”。王亚平又重新做了一个水膜,然后把饮水袋中的水轻轻地注入到做好的水膜上,水膜便开始慢慢地变厚,当注入的水越来越多时,水膜竟变成了一个亮晶晶的大水球,水球中间还有一串珍珠般的小气泡。为了验证注入空气是否能真正形成气泡,指令长聂海胜用注射器抽出先前形成的小气泡,重新做注入空气的实验。王亚平用注射器把气体注入到水球里,空气在水球内部形成一个大气泡并静止不动,当在水球另一侧继续注入空气时,又形成另一个气泡,且两个气泡并没有融合到一起,而是单独地存在。紧接着,王亚平拿出一个装有红色液体的注射器,小心翼翼地将液体注入到水球,红色液体慢慢扩散开来,晶莹透亮的水球变成了粉红色。地面应用的未来研究方向太空中的独特环境,不仅可以给人们带来奇妙的体验,还能够实实在在地为人类造福。王亚平说,我们可以利用太空中独特的资源,一方面可以开展基础研究,另一方面可以为应用服务。比如在失重环境下,我们可以获取到结构更加均匀、完整、尺寸更大的半导体机器,开展材料基础研究;另外通过对比天地的差异,来优化和改进地面的生产工艺。还有,在失重环境下,冷原子中的频率稳定度会大大提高,可用于未来高精度的卫星导航定位系统。总之,航天技术的发展已经渗透到我们生活的方方面面,在未来可以做更多的科学研究,利用太空资源,造福人类。奇妙的太空实验令人意犹未尽,航天员老师还专