太空教学，你在说什么？

神舟十号航天员于北京时间2013年6月20日上午10在地面给学生讲课。本次太空授课主要面向中小学生，让他们了解失重状态下物体运动的特点和液体表面张力的作用，加深对质量、重量、牛顿定律等基本物理概念的理解。航天员将进行在轨讲解和实验演示，并与地面师生进行双向互动。王亚平的太空教学内容主要是让中小学生了解微重力环境下物体运动的特点。实验一开始，神舟十号指令长聂海胜首先给出了一个“太空打坐”的理由:因为他处于失重环境，几乎没有重力，所以此时人不受外力影响，可以在空中静止不动。(牛顿第一定律)实验一:失重空间的质量测量，地面的重量测量不再起作用。“所以，宇航员想知道他们是胖还是瘦？怎么权衡？”太空老师王亚平问。在天宫一号里，有一个特殊的“质量测量仪”。“太空教学”的助教聂海胜将自己固定在支架的一端，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。这样测出来聂海胜的质量——74kg。揭秘:牛顿第二定律王亚平解释这个问题，“其实就是牛顿第二定律F=ma。”即物体受力=质量×加速度。如果你知道力和加速度，你可以计算质量，“弹簧凸轮机构，产生一个恒定的力。”也就是刚刚把助教拉回初始位置的力。此外，还设计了光栅测速系统来测量人体运动的加速度。“特级教师罗:用光栅测速仪测量支架复位的速度v和时间t，计算加速度(a=v/t)计算物体的质量(m=F/a)。牛顿第二定律是普遍适用于所有惯性空间的基本物理定律。它不随物体的引力环境和移动速度而变化，所以在太空和地面都成立。实验二:在单摆运动的T型支架上用细绳拴一个小球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把球举到一定高度就放了。球像着了魔似的缓慢摆动。然后，王亚平用手指轻推了一下小球，小球开始绕着支架的轴心运动。揭秘:太空失重浙江大学航空航天学院专家:在地面上，单摆的运动周期与摆的长度、重力、加速度有关。但是在失重状态下，没有回复力，钢珠还是在原来的位置。这时，线没有给球张力。用手推球，相当于给了球一个初速度，同时绳子给球提供了一个拉力。细绳的拉力平衡了离心力，球绕着支架的轴线运动。如果没有绳子的张力，球将以匀速直线运动。然而在地面上，空气的阻力使物体越来越慢，而重力使物体下落。实验三:陀螺运动王亚平拿出一个陀螺，用手轻推。陀螺实际上是向前滚动的，行进路线无法预测。随后，她又拿出另一个陀螺，抽动了一下，然后用手轻轻一推，陀螺就沿着一个固定的轴向前飞去。揭秘:罗角动量守恒特级教师:旋转的陀螺有一个固定的轴。什么是“定轴”？即当陀螺转子高速旋转时，当没有外力力矩作用在陀螺上时，陀螺自转轴的方位在惯性空间保持稳定，也叫稳定。转子的转动惯量越大，稳定性越好；转子角速度越大，稳定性越好。同轴度遵守角动量守恒定律——没有外力力矩的作用，物体的角动量会保持不变。宇航员施加的瞬时干扰力无法产生持续的扭矩。因为角动量守恒，高速自旋陀螺的旋转轴不会有太大变化。之所以在地面上很难做到这一点，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扰动力矩改变了陀螺的角动量，使其转速逐渐降低，不能很好地保持旋转方向。实验四和实验五:制作水膜和水球空间教学模拟图(5张图)。这是学生最感兴趣最神奇的实验。将金属环插入饮水袋后拔出，形成一层水膜。这在地面上很难实现，因为重力会把水膜撕开。那么，这种水膜结实吗？轻轻晃动金属环，水膜没有破裂，只是甩出一小滴水。然后在水膜表面贴一块有中国结图案的塑料，水膜依然完好无损。更神奇的时刻:在第二层水膜上，用饮水袋不断注水，水膜很快成长为晶莹剔透的水球。水球里面有一系列的气泡，用注射器取出来，但是水球没有损坏。最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散，水球变成了漂亮的“红宝石”。揭秘:液体表面张力浙江大学航空航天学院专家:液体表层分子间的相互吸引就是表面张力，可以自动收缩液体表面。表面张力是由液体分子间的巨大内聚力引起的，太空中的液滴和地面上的液滴产生表面张力的原理和大小是一样的。但是，在失重状态下，表面张力更明显。在失重状态下，水滴之间没有重力挤压，所有的水滴在表面张力的作用下形成最完美的球体。罗特级教师:液体与气体接触的表面有一薄层，称为表层。表层的分子比液体中的分子薄，分子间的距离比液体中的大。分子间的相互作用表现为引力，使表面像绷紧的橡胶膜。这种使液体表面收缩的拉紧力就是表面张力。微观上表现为分子引力，宏观上表现为液体表面张力。当针尖刺入水球时，水的表面张力仍然存在，所以水球没有被破坏。师生以“天地对话”作为本次空间教学活动的合作。中国载人航天工程网于2013年5月24日至6月10日举办“我问航天员”——航天教学大型问题征集活动，面向中小学生和朋友征集关于载人航天科技、航天飞行、空间科学和航天员航天工作生活的问题。收集了上千个相关问题。这些问题将在活动后期由部分参与过任务的航天员或航天专家以访谈、文字或“微访谈”的形式进行解答，也将提交给本次太空授课的神舟十号三位航天员在太空中进行解答。此外，还将挑选2-3名渴望提问的中学生到太空教学的地面场景，与340公里外的“太空老师”进行互动。这次太空讲座将持续45分钟。课程的内容是展示和解释太空中的失重现象。本次讲座将通过天联数据“中转站”传输双向实时教学画面，实现天地之间的视频问答。编辑本讲座的意义在于，本次航天任务中的“航天教学”旨在激发中小学生对航天的向往和学习科技知识的热情，让中小学生走近航天、了解航天、热爱航天。作为继美国之后第二个完成太空教学的国家，此次太空教学不仅将提升国民对太空的兴趣，还将从应用上推动世界大容量信息处理产业的发展，大数据时代的到来将成为世界大容量信息处理产业发展的契机。[4]同时也意味着中国可以对地外航天器进行至少40分钟的实时监控，意味着中国有能力对洲际导弹进行全程的调整和监控。1986年，美国女教师麦考利夫(mcauliffe)被选中参加“挑战者”号航天飞机的“太空教师”计划，但不幸飞机坠毁，所有人遇难。此后，美国颁布了“普通人不能再参与航天飞机任务”的禁令。[5]2007年，一同参与选拔的另一位美国教师芭芭拉·摩根终于随“奋进”号飞上太空，肩负着宇航员、教师和“麦考利夫接班人”的三重身份，弥补了21年前的遗憾。[6]在太空中，55岁的摩根给她的孩子们上了一堂25分钟的“太空课”，其他宇航员成了她的“助教”，18名4到8年级的学生在地面听讲座。除了完成一些专业任务，摩根还开设了“太空课堂”与地面的学生进行联系，并通过视频向学生展示在太空中运动和喝水的场景，成为那次任务的最大亮点。