太空一課,我的武林高手

太空一課,我的武林高手

2013年6月20日上午10點，在距離地球300公里的天宮1號和3號空乘人員的b室是中國年輕人的精彩“太空一課”。王亞平擔任主講老師,聶海勝配合,張曉光擔任攝像師,向地面課堂演示了幾項物理實驗,展示了在物體在太空失重環(huán)境狀態(tài)下的現(xiàn)象。航天員還與中國人民大學附屬中學地面課堂的300余名中小學生進行了互動交流。學生,中學化人員從實際出發(fā),示范授課10時許,北京市101中學物理教師史藝和人大附中物理教師宓奇登上講臺。簡短的開場白之后,兩位老師為同學們播放了一段精心剪輯的電視短片——《航天員在太空的衣食住行》。盡管同學們早已從科普讀物和影視作品中了解到失重環(huán)境的奇妙,可是從大屏幕上看到神舟十號航天員像魚兒一樣自由游弋,仍不時發(fā)出會心的笑聲。10時11分,北京航天飛行控制中心報告:已建立與航天員的雙向通信鏈路。神舟十號航天員的身影清晰呈現(xiàn)在大屏幕上。他們身著藍色艙內(nèi)工作服,面帶微笑向地面課堂的同學們揮手致意:“同學們,你們好!”“我是王亞平,本次授課由我來主講?！焙教靻T王亞平輕點腳尖,向天宮一號艙內(nèi)攝像機鏡頭緩緩飛來。為了備好課,這位“主講”可沒少下功夫,不僅精心準備了授課內(nèi)容,向?qū)I(yè)教師虛心請教講課技巧,還對個人形象進行了精心設(shè)計——扎起了秀氣的馬尾辮。只不過,在失重環(huán)境下,精心梳理的馬尾辮變成了蓬松的“毽子”?！按蠹液?我是聶海勝,擔任本次飛行任務(wù)的指令長?！敝噶铋L屈尊當起了“助教”,負責配合“主講”管理教具,維護課堂秩序。由于天宮一號是精密的飛行器,航天員們的授課活動必須小心進行,既不能動作幅度太大、干擾到正常飛行,還要當心漂浮的實驗器材、液滴影響到航天器安全?！按蠹液?我是張曉光,本次太空授課任務(wù),我擔任攝像師。”在失重環(huán)境下,保持自身平衡并不容易。張曉光要先用束縛帶把自己固定在艙壁上,再用手持攝像機保持長時間穩(wěn)定拍攝,才能把太空授課的精彩圖像傳回地面課堂。三位航天員老師“站”穩(wěn)后,先給同學們露了幾手“功夫”——“懸空打坐”、“大力神功”。在失重環(huán)境下,航天員們都成了“武林高手”,博得同學們陣陣喝彩。質(zhì)量測量的應(yīng)用沒有了重量,是否意味著失去質(zhì)量?地面上,我們是如何測量物體質(zhì)量的呢?在地面,我們可以采用很多種方法測量物體質(zhì)量。比如,在地面實驗室,用臺秤來測物體的質(zhì)量;買菜的時候,我們用臺秤、托盤稱、電子稱來測量菜的質(zhì)量;在藥房用桿秤來測量藥材,用彈簧秤測量重力可以算出質(zhì)量。之所以可以這樣測量,是因為有地球引力的存在。那么,地面上測量質(zhì)量的方法,在太空失重環(huán)境下還能用嗎?太空中是如何來測量物體質(zhì)量的呢?航天員老師用天宮一號上的質(zhì)量測量儀現(xiàn)身說法。他們從天宮一號的艙壁上打開一個支架形狀的裝置,航天員聶海勝把自己固定在支架一端,王亞平輕輕拉開支架,一放手,支架便在彈簧的作用下回復(fù)原位。裝置上的LED屏上顯示出數(shù)字:74.0,這表示聶海勝的實測質(zhì)量是74千克。王亞平向同學們解釋道,天宮中的質(zhì)量測量儀,應(yīng)用的物理學原理是牛頓第二運動定律:F(力)=m(質(zhì)量)×a(加速度)。質(zhì)量測量儀上的彈簧能夠產(chǎn)生一個恒定的力F,同時在質(zhì)量測量儀中,設(shè)置一個彈簧凸輪機構(gòu),能夠產(chǎn)生一個恒定的力,另外再通過光柵測速裝置測量出支架復(fù)位的速度v和時間t,計算出加速度(a=v/t),就能夠計算出物體的質(zhì)量(m=F/a)了。認真的王亞平老師還給同學們布置了一道課后思考題:除了運用牛頓第二定律,還有什么辦法可以在失重環(huán)境下測量物體的質(zhì)量?半空中的兩種運動單擺還會擺嗎?我們都知道,在地面上,懸掛在擺軸上的小球,當給它一個力時,它會以擺軸為中心,做半圓周的往復(fù)擺動,且隨加速度的變化而改變半圓周擺動的周長。那么,這種物理現(xiàn)象在太空中還會出現(xiàn)嗎?航天員們又取出一個物理課上常見的實驗裝置——單擺。T型支架上,用細繩拴著一顆明黃色的小鋼球。王亞平把小球輕輕拉升到一定位置放手,小球并沒有出現(xiàn)地面上常見的往復(fù)擺動,而是停在了半空中。王亞平用手指沿切線方向輕推小球,奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了,小球開始繞著T型支架的軸心做圓周運動——而在地面對比試驗中,需要施加足夠的力,給小球一個較大的初速度,才能使它繞軸旋轉(zhuǎn)。其實,在太空中,小球處于失重環(huán)境狀態(tài),沒有了回復(fù)力,不能像地面一樣做往復(fù)擺動,所以把小球任意放到一位置,小球都會靜止不動。但當稍稍給它一個初速度時,小球就會圍繞著擺軸做圓周運動了。太空實驗趣味無窮,地面課堂的學生們也不失時機地向航天員提出他們關(guān)心的問題。有學生問:“航天員老師,您在太空中有沒有上下方位感?”為了回答同學的提問,航天員王亞平在聶海勝的幫助下表演了一套“雜技”動作,分別進行了懸空橫臥和倒立?？吹胶教靻T老師的精彩表演,同學們興奮地鼓起掌來。太空中的亞平老師告訴大家,自身感覺都是相同的,在方位上沒有上下的區(qū)別。但是,我們看到的天宮一號艙內(nèi),還是有上、下方位設(shè)置的。這是因為在太空中為了便于工作和生活,天宮一號實驗艙內(nèi)人為地定義了上和下,并且把朝向地球的一方定義為下方,并鋪設(shè)了地板。所以,在地面的我們看來,天宮一號艙內(nèi)就如我們地面的房間一樣,有白色的“天花板”,也有新的硬質(zhì)地板,方便了航天員的生活和工作。旋轉(zhuǎn)螺栓的定軸特性高速旋轉(zhuǎn)的陀螺為什么不會倒下?小時候,我們經(jīng)常會玩陀螺,因為只要給它一個初速度,它就會圍繞中心不停地旋轉(zhuǎn),這是孩子們最喜歡玩的玩具。物理學原理告訴我們,高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有很好的定軸特性。在太空失重環(huán)境下,這一特性更加直觀地呈現(xiàn)出來。王亞平取出一個紅黃相間的陀螺,把它靜止懸放在空中。用手輕推陀螺頂部,陀螺翻滾著飛向遠處。但當把陀螺先旋轉(zhuǎn)起來,再給它一個干擾力時,陀螺還會跟之前一樣運動嗎?王亞平讓陀螺旋轉(zhuǎn)起來,懸浮在半空中,再用手輕輕一推,旋轉(zhuǎn)的陀螺不再翻滾,而是保持著固定的軸向,向前飛去。王亞平介紹說,高速旋轉(zhuǎn)陀螺的定軸特性在航天領(lǐng)域用途廣泛。在天宮一號目標飛行器上,就裝有各式各樣的陀螺定向儀,正是有了它們,才能精準地測量航天器的飛行姿態(tài)。小水球從流動天宮里有沒有“飛流直下”的瀑布?陽光下五彩繽紛的肥皂泡、能夠讓硬幣漂浮的山泉水,總是帶給人們很多遐想。這些都是液體表面張力在發(fā)揮著神奇作用。只不過,在地面上,液體表面張力難以抗衡地球引力的影響,只有經(jīng)過特殊處理的肥皂水、富含無機鹽的礦泉水才能表現(xiàn)出比較強的張力特性。但是,在太空失重環(huán)境下,液體的表面張力特性便突顯出來。王亞平拿起一個航天員飲用水袋,打開止水夾,水并沒有傾瀉而出。輕擠水袋,在飲水管端口形成了一顆晶瑩剔透的水珠,略微抖動水袋,水珠便懸浮在半空中,小水球顯得晶瑩剔透,很漂亮!王亞平笑著說:“如果詩仙李白在天宮里生活,大概就寫不出‘飛流直下三千尺’的名句了,因為,失重環(huán)境下水不可能飛流直下?！辈贿^這些小水球,如果不把它們集中收集起來,它們會在空間到處亂飛,影響實驗艙里的設(shè)備安全。因此,亞平老師采用了一種獨特的方式,用口把水滴吸到嘴里,其實這就是航天員在太空中喝水的方式。之后,亞平老師給大家做了一個水膜實驗。使用一個金屬圈和一個水袋,把金屬圈輕輕地放入水袋,然后再慢慢地抽出,這時在金屬圈上形成一個大大的水膜。這在地面上可是很難實現(xiàn)的。在太空失重狀態(tài)下,水的表面張力就會大顯神威,所以普通水也能夠輕松地形成漂亮的水膜。王亞平輕輕晃動金屬圈,水膜也沒有破裂,只是偶爾會甩出幾顆小水滴。為了航天器的安全,用吸水紙把這些閃出的小水滴收集起來。隨后,王亞平又往水膜表面貼上了一片畫有中國結(jié)圖案的塑料片,水膜依然完好?？諝庾⑷氲恼斝杂蒙衿娴囊后w表面張力變個“魔法”液體表面張力的威力竟如此神奇!普通的飲用水還能變成更加神奇的“魔法水球”。王亞平又重新做了一個水膜,然后把飲水袋中的水輕輕地注入到做好的水膜上,水膜便開始慢慢地變厚,當注入的水越來越多時,水膜竟變成了一個亮晶晶的大水球,水球中間還有一串珍珠般的小氣泡。為了驗證注入空氣是否能真正形成氣泡,指令長聶海勝用注射器抽出先前形成的小氣泡,重新做注入空氣的實驗。王亞平用注射器把氣體注入到水球里,空氣在水球內(nèi)部形成一個大氣泡并靜止不動,當在水球另一側(cè)繼續(xù)注入空氣時,又形成另一個氣泡,且兩個氣泡并沒有融合到一起,而是單獨地存在。緊接著,王亞平拿出一個裝有紅色液體的注射器,小心翼翼地將液體注入到水球,紅色液體慢慢擴散開來,晶瑩透亮的水球變成了粉紅色。地面應(yīng)用的未來研究方向太空中的獨特環(huán)境,不僅可以給人們帶來奇妙的體驗,還能夠?qū)崒嵲谠诘貫槿祟愒旄?。王亞平說,我們可以利用太空中獨特的資源,一方面可以開展基礎(chǔ)研究,另一方面可以為應(yīng)用服務(wù)。比如在失重環(huán)境下,我們可以獲取到結(jié)構(gòu)更加均勻、完整、尺寸更大的半導(dǎo)體機器,開展材料基礎(chǔ)研究;另外通過對比天地的差異,來優(yōu)化和改進地面的生產(chǎn)工藝。還有,在失重環(huán)境下,冷原子中的頻率穩(wěn)定度會大大提高,可用于未來高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)?？傊?航天技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面,在未來可以做更多的科學研究,利用太空資源,造福人類。奇妙的太空實驗令人意猶未盡,航天員老師還專