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神十太空授课难度高于美国 专家解读太空授课物理原理

神十太空授课难度高于美国 专家解读太空授课物理原理

昨日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。神舟十号女航天员王亚平在天宫一号开展基础物理实验,为全国青少年进行太空授课。

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。专家还称,相比美国此前的太空授课相比,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。

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。”

在失重的太空,地面的测重不再奏效。“那么,航天员想知道自己是胖了还是瘦了?怎么称重呢?”太空教师王亚平问。

在天宫一号,有一样专门的“质量测量仪”。“太空授课”的助教聂海胜将自己固定在支架一端,王亚平将连接运动机构的弹簧拉到指定位置。松手后,拉力使弹簧回到初始位置。这样,就测出了聂海胜的质量74千克。

对这个问题,王亚平就有解释,“其实,就是牛顿第二定律F=ma。”也就是,物体受到的力=质量×加速度。如果知道力和加速度,就可算出质量,“弹簧凸轮机构,产生恒定的力。也就是,刚才将助教拉回至初始位置的力。此外,还设计一个光栅测速系统,可测出身体运动的加速度。”

浙江省物理特级教师骆兴高:用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)。牛顿第二定律是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律,不因物体的引力环境、运动速度而改变,因此在太空和地面都是成立的。

T形支架上,细绳拴着一颗小球。这是物理课上常见的实验装置单摆。王亚平将小球拉升至一定高度后放掉,小球像着了魔似的,固定在此位置,一动不动。随后,王亚平用手指轻推小球,小球开始绕着支架的轴心不停地做圆周运动。

浙大航空航天学院专家:在地面,单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速有关。但在失重的状态,没有了回复力,钢球就静止在原始位置。这时,细绳并没有给球拉力。

手推小球,相当于给了小球一个初始速度,同时细绳又给小球提供了拉力,细绳拉力平衡离心力,小球便绕着支架的轴心做圆周运动。如果没有细绳的拉力,小球就做匀速直线运动。

王亚平取出一个陀螺,用手轻推,陀螺竟然翻滚着向前,行进路线变幻莫测。随后,她又取出一个陀螺,抽动它后,再用手轻推,陀螺沿着固定的轴向向前飞去。

特级教师骆兴高:转动的陀螺具有定轴性。何为“定轴性”?就是当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性,也称为稳定性。转子的转动惯量愈大,稳定性愈好; 转子角速度愈大,稳定性愈好。

定轴性遵守角动量守恒定律在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩,由于角动量守恒,高速旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现,并不是因为角动量守恒定理不成立,而是因为陀螺与地面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。

一个金属圈插入饮用水袋并抽出后,形成了一个水膜。这在地面,难以实现,因为重力会将水膜四分五裂。那么,这个水膜结实吗?轻晃金属圈,水膜并未破裂,而是甩出了一个小水滴。再往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片,水膜依然完好。

接下来更神奇:在第二个水膜上,用饮水袋不断注水,水膜很快长成一个晶莹剔透的大水球。水球内有连串的气泡,用针筒取出,水球却不受任何破坏。

最后,王亚平注入红色液体,红色慢慢扩散,水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。

浙大航空航天学院的专家:液体表面层内分子间存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的,在太空与地面液滴产生表面张力的原理以及表面张力大小都是一样的。只是,在失重的状态下,表面张力表现更为明显。失重时,水珠之间没有了重力的挤压,液滴在表面张力的作用下,都形成了最完美的球形。

特级教师骆兴高:液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力,导致表面就像一张绷紧的橡皮膜,这种促使液体表面收缩的绷紧的力,就是表面张力。微观表现为分子引力,宏观体现即液体表面的张力。当针尖戳入水球时,水的表面张力依然存在,故水球不被破坏。

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。

“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。”

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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