太空授课5个实验方案来自师生 教具重2.9公斤

10时04分、05分、06分……中国载人航天史上的第一堂太空授课进入倒计时。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。

“我是王亚平,本次授课由我来主讲。”随着这一句来自天宫的问候,中国首位太空老师王亚平轻轻一跃,向天宫一号(微博)舱内的摄像机镜头缓缓飘来。有史以来内容最神奇、教室最高远、观众最庞大的一课,开始了。神十飞天任务,也随着神十乘组的太空授课,达到高潮。从十余天前的期盼,到穿着蓝色舱内工作服的3名航天员亮相,世界第二堂、中国第一堂太空授课会讲什么?“地面课堂”北京人大附中的300余名同学睁大了双眼,全国8万余所中学的6000余万名师生同步收听收看。没等大家平复兴奋的心情,指令长聂海胜先展示起了“绝技”。

“我来个悬空打坐吧!”只见聂海胜轻盈地在半空中盘起了腿,好似有神功。“那我来一个大力神功吧!”王亚平用手指轻轻一推,聂海胜摇晃地飘出很远,“地面课堂”响起了笑声和掌声。

轻松拉开大幕之后,王亚平变起了一出出戏法,圆周运动的单摆、不变轴向的陀螺、晶莹剔透的水膜、红扑扑的水球,中国第一堂太空授课在趣味与惊奇中完美展现。

实验1

打开“箱子”测质量

悬空打坐、大力神功,这两招专属武林高手们的“功夫”,经过3名航天员在太空的演绎,引来了同学们的阵阵喝彩。航天员表演之后给同学们提出了疑问:在地面上,人们一般用天平、台秤等测量物体受到的重力,从而计算物体的质量。那么,失重环境下该如何测质量呢?

天宫一号上配备有质量测量仪,这个质量测量仪就是设置在天宫一号舱壁的一个支架形状的装置,看上去像飞船舱壁上的一个箱子。拉开“箱子”后,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。

在给同学们解释了应用原理之后,王亚平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呢?

解读人:地面课堂主持人之一、北京人大附中物理老师宓奇

【解读】在地面上,弹簧秤提供的弹力跟重力是平衡的,不同质量的物体挂在弹簧秤上,弹簧的伸长不一样,即重量是不一样的。在太空,因为微重力环境,两个不同质量的物体在弹簧秤上,两个弹簧指标是平齐的。因为没有重量的概念,弹簧秤就没有读数。

天宫一号里的“质量测量仪”,运用了牛顿第二定律,即物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比,跟物体的质量成反比,这一定律在太空和地面都是成立的。

据了解,这个原理在航天活动中比较常用。例如,航天器在运行中会耗损,质量会发生变化,就影响轨道控制的精确度。这时,可开启推力器,并同时测量航天器的加速度,从而准确掌握航天器的质量。

实验2

神奇单摆做圆周运动

物理课上常见的实验装置单摆受力后是左右摇摆还是圆周运动?这个稍有物理常识的人都很容易回答的问题,放在太空就变得超乎想象了。

在第二个实验中,T形支架上,细绳拴着一颗明黄色的小钢球,这就是物理课上常见的单摆。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,拴小球的细线呈弯曲状静止,将其拉高后,结果并没有发生变化。

接下来,王亚平用手指沿切线方向轻推小球,小球就开始绕着T形支架的轴心做圆周运动,即使中心轴的角度发生改变,小球也仍然做同样的运动。而同样的动作在地面对比试验中,就需要施加足够的力,给小球一个较大的初速度,才能使它绕轴旋转。

【解读】小球单摆是一个经典的运动模型。在地面上,小球单摆具有等时性,比如摆钟。在太空中,由于小球失重,只剩下一个绳子的拉力,理论上说,单摆上的小球无论放在哪个位置都不会动,小球会飘浮在空中。

但在实验中看到,小球提高到一个位置时,发生了晃动。即在太空中,如果给了小球一点初速度,小球就能在绳子的牵引下做圆周运动,如果摩擦小,这种圆周运动是匀速的。据了解,太空中的一个小动作,甚至呼吸,天宫一号设备的运转都可能造成小球运动。

实验3

陀螺轴向不变向前飞

为了证实高速旋转的陀螺在太空失重条件下的定轴特性,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,轴向也发生了改变,期间,聂海胜也对陀螺进行干扰。

紧接着,王亚平取出一个一模一样的陀螺,通过道具让它旋转起来并悬浮在半空中,这时候再用手轻轻一推,旋转的陀螺只是轻晃一下,并不翻滚,而只是保持着固定的轴向,向前飞去。

【解读】旋转的陀螺体现出很好的定轴性,定轴性遵守角动量守恒原理,即在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。据了解,现实生活中有很多体现,比如子弹从枪膛里出来时高速旋转,这样保持稳定性和准确性。不论在太空还是在地球,都遵守角动量守恒原理。

在地面上,陀螺需要支撑物实现转动,而陀螺与支撑物之间的摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量,使其旋转速度逐渐降低,不能很好地保持旋转方向,最终停下。在太空中,给静止的陀螺一个初速度,就会向前翻转。给正在转动的陀螺一个初速度,轴向几乎不变。

据了解,利用角动量守恒定律,可以实现卫星的定向控制。而有些轿车上,就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器,可以实现车身稳定度的控制。

实验4

“水膜”内嵌入中国结

在水膜实验中,王亚平拿起一个饮用水袋,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。但是甩出的水珠必须用吸水纸迅速收集起来,避免乱飞影响设备安全。

接着,她把一个金属圈插入装满饮用水的袋中,慢慢抽出金属圈,便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈,水膜也不会破裂,只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后,王亚平又往水膜表面贴了一片画有中国结图案的塑料片,水膜依然完好。

【解读】在地面上,只有经过处理的肥皂水等才能表现比较强的张力特性。因为地面上的液体表面张力无法抗衡地球引力的作用。液体的表面张力,使液体表面分子有被拉入内部的趋势,导致表面就像一张绷紧的橡皮膜,是促使液体表面收缩的绷紧的力。

在太空中,表面张力使水膜似橡皮膜圈在金属环里,并且比地面上形成的水膜更大、存在时间更长。据了解,液体表面张力在航天活动中有重要应用。科学家们制造了表面张力贮箱,利用表面张力推动液体推进剂流动。

实验5

普通水变身“魔法水球”

为了进一步证实液体在太空的表面张力,王亚平用金属圈重新做了一个水膜,然后用饮水袋慢慢向水膜上注水,不一会儿,水膜就变成了一个亮晶晶的大水球,水球中还有一串小气泡。聂海胜取出一支注射器,抽出水球中的小气泡。

王亚平用注射器向水球内注入空气,在水球内产生了两个标准的球形气泡,气泡既没有被挤出水球,也没有融合到一起,水球也没有爆裂。紧接着,她又用注射器把少许红色液体注入水球,红色液体慢慢扩散开来,透明的水球就变成了粉红色。

【解读】航天员向水膜上不断注入水时,这些水就能够均匀分布在水膜周围,逐渐形成水球。

太空中去除了重力对物体形态的制约,由于分子间的相互作用,液体表面张力很明显,液体的表面积会缩到最小,就变成了水球。在地面上,由于有密度差,如果注入红色液体,扩散会有一个总体的趋势,就像鸡尾酒里的层次分明。但在太空中没有密度差,扩散就比较均匀。

没看到太空垃圾

人大附中高二年级学生司紫硕:天上的生活用水可以循环使用吗?北师大附中高一年级学生毛思锐:能看到太空垃圾吗?

聂海胜:水都是从地面带来的,短期飞行采用一次性用水更为经济。我国未来的空间站将采用先进的资源再生和循环利用技术。

王亚平:飞行中没有看到太空垃圾,但太空垃圾确实存在。地面科研人员对太空垃圾进行了预警分析,也对天宫一号采取了相应的规避和防护措施。

没看到UFO

史家小学四年级学生邱甜:您在天上看到的窗外景色与地面有什么不同?星星会闪烁吗?能看到UFO吗?

王亚平:我们没有看到过UFO。由于我们处在大气层外,没有大气的阻挡和干扰,看到的星星格外明亮,但是不会闪烁。同样,由于没有大气对光的散射作用,我们看到的太空不是蓝色的,而是深邃的黑色。另外,我们每天可以看到16次日出,因为我们每90分钟绕地球转一圈。

■特写

甜美笑容“秒杀”亿万网友

弯弯的柳叶眉、清澈的双眸、甜美的笑容,王亚平昨天的出镜让人眼前一亮,网友们感叹“好漂亮!”航天员张晓光曾说,王亚平是个聪明、可爱的小姑娘,她的太空授课一定会带给大家惊喜。昨天,王亚平没让大家失望,她用生动趣味的语言和娴熟的操作手法,让中国的太空第一课笑声不断,惊喜连连。

面对指令长聂海胜的“悬空打坐”,王亚平一招“大力神功”,形象地展示了太空失重环境下物体运动的奇妙特性。“在太空中,我们个个都是武林高手。”王亚平的话引发了地面课堂同学们的欢笑和掌声。“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。”“同学们,见证奇迹的时刻到了。”妙语连珠后,王亚平从饮水包里挤出一个水珠,水珠悬浮在空中,然后被她一口吃掉,“刚好润润嗓子。”

清楚的演示、到位的操作、流畅的表达,让这位漂亮和具有亲和力的太空老师深得学生们的心。

世界首位太空教师芭芭拉·摩根之前曾告诉王亚平,百忙之余,记得看看窗外美丽的地球。昨天,王亚平在天宫一号给她回信说,飞行期间经常会通过舷窗遥望美丽的家园。“今天,我们顺利完成了太空授课活动,与亿万中国学生一起分享了太空的神奇和美妙。我们愿与您一道为开启全世界青少年朋友热爱科学、探索宇宙的梦想共同努力。”王亚平在信中说。

■评价

授课难度高于美国首次太空课

对于此次太空授课,一位授课专家组成员表示,选取“失重”的课题,主要是考虑要跟中学学过的有关知识原理相关联,另外还要安全可靠、体积小、质量轻。

2007年8月14日,美国人芭芭拉摩根在国际空间站进行了人类首次太空授课,她通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景。

该专家表示,和芭芭拉摩根进行的太空授课相比,中国航天员的这堂太空授课不仅科技含量更高,难度也更高,“摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活,而王亚平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,难度也较大。”

他表示,这次授课让全国学生及观众感受到了一些奇妙的物理现象,“像一个太空魔术师,对所有公众都有启迪作用。”

据太空授课教案组金声老师介绍,太空授课计划一年前就在筹备了,本想神舟九号的时候就进行,但神九升空时间较短,而且主要任务是对接任务,所以太空授课计划最终在神十实现。

据金声介绍,从去年9月开始,太空授课教案组就开始广泛征求各方面意见,确定实验计划。呈现出的几个实验都是经过反复推敲、精挑细选的,最终确定了演示失重环境中的力学原理和液体表面张力,“太空授课的科普意义非常重大,在神十这样重大的国家项目中,特意安排这样的课程,可见国家对科普教育的重视。”

【揭秘】1

什么为天地通话牵线搭桥?

中继卫星实现数据中转,2兆网速保障视频顺畅

为天地对话牵线搭桥的,是被称为太空数据“中转站”的中继卫星。一位多年从事卫星导航的专家称,中继卫星就是中国太空数据的“中转站”。

在中继卫星从两颗变为三颗后,神舟飞船即使在地球的另一头,都能与国内保持联络,基本已无盲区。如今天宫一号与地面的音视频信号传送“网速”已经能达到2兆左右,比从前要更为顺畅。

而这次,据中央电视台介绍,首先是把“天宫一号”上的图像传送到中继卫星上;第二步是卫星把信号传到地面上的测控站,这样地面上可以收到来自“天宫一号”的声音和图像;第三步,地面测控站将信号传送到北京飞控中心,后通过电视台播送给全国各地的观众。

而在地面课堂上同学们提的问题,将通过相反的途径传送到天宫一号上。

【揭秘】2

为何挑选这5个实验?

内容经典易懂,方案来自专家、学生和老师

“经典、易懂、新颖,有观赏性和差异性。”在北京人大附中物理老师宓奇看来,这5个实验有这些共同点。宓奇也作为“地面课堂”的主持人之一,亲身经历了天地对话。

一位参与了实验计划设计的老师称,这5个实验经过了反复的方案选择和讨论,航天员也进行了试讲。在讨论的过程中,专家组了解了学生们的知识储备,对哪些问题感兴趣。大家会考虑,一个具体的实验,在太空中是否有可操作性,会带来哪些问题,产生哪些现象,“这些方案来自老师和学生,这里有学生超过老师的情况,也就是说学生的方案被最终采纳。”

【揭秘】3

用什么器材做实验?

弹簧秤、陀螺、单摆,教具总重2.9公斤

弹簧秤、陀螺、单摆、金刚圈,在这些教具的协助下,神奇的现象应接不暇。据太空授课教案组专家介绍,虽然往太空带物品越轻越好,但这次为了太空授课,带上天宫一号的“教具”总重量为2.9公斤。

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[责任编辑:seanhou]

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