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飞天梦永不失重 科学梦张力无限
——中国首次航天员太空授课活动全记录
余建斌 赵展慧 宗兆盾
人民出版社网    www.ccpph.com.cn    2013-06-21      来源:  人民网-《人民日报》

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  在中国最高的讲台——离地面300多千米的天宫一号上,神舟十号航天员聂海胜、张晓光、王亚平为全国青少年带来神奇的太空一课。
  从首都北京到全国各地,8万多所中学、6000万名师生通过广播、电视和网络直播,共同收听、收看航天员太空授课,一同领略奇妙的太空世界。
  6月20日上午,记者来到设在中国人民大学附属中学的太空授课地面课堂,与300余名中小学生一起,现场聆听航天员老师讲课。
  亮相主讲老师“飞”到讲台前
  20日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电视短片——《航天员在太空的衣食住行》。
  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,微笑着向地面课堂的同学们挥手致意。
  “我是王亚平,本次授课由我来主讲。”航天员王亚平轻点脚尖,向天宫一号舱内的摄像机镜头缓缓“飞”来。在失重环境下,这位主讲精心梳理的马尾辫变成了蓬松的“毽子”,呈现出几分“笑果”。
  “大家好!我是聂海胜,担任本次飞行任务的指令长。”指令长这次当起了助教。
  “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,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,才能把图像传回地面课堂。
  实验失重带来奇妙体验
  3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”。失重环境下,航天员仿佛成了“武林高手”,博得同学们阵阵喝彩。
  实验1:质量测量
  航天员的表演给大家带来了疑问:失重环境下怎样测质量呢?
  从天宫一号的舱壁上打开一个支架形状的装置——质量测量仪,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。
  解读:王亚平说,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)。
  实验2:单摆运动
  演示完质量测量,航天员们又取出物理课上常见的实验装置单摆。王亚平把一个T形支架固定在工作台上,支架上用细绳拴着一颗明黄色小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置后放手,小球并没有出现地面上常见的往复摆动,而是停在了半空。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形支架的轴心做圆周运动。
  解读:太空中没有重力作用,小球只会在原地悬浮。同样,因为重力环境不同,在太空中轻轻推一下小球,小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上,需要给小球足够大的初速度,才能使它克服重力阻碍,实现圆周运动。
  实验3:陀螺运动
  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。紧接着,王亚平取出一个一模一样的陀螺,让它旋转起来,悬浮在半空中,再用手轻轻一推,旋转的陀螺并不翻滚,而是保持着固定的轴向,向前飞去。
  解读:转动的陀螺具有定轴性,定轴性遵守角动量守恒原理——在没有外力矩作用情况下,物体角动量会保持恒定。而这在地面上因摩擦等因素很难实现。
  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。天宫一号上就装有各式各样的陀螺定向仪,正是有了它们,才能精准地测量飞行姿态。
  实验4:制作水膜
  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,饮水管端口形成了一颗水珠,悬浮在半空中。
  接着,她用手捏着长柄,把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中,慢慢抽出便形成了一个漂亮的水膜。随后,又往水膜表面贴上了一片有中国结图案的塑料片,水膜依然完好。这些奇特景象引起地面课堂同学们的连声惊叹。
  实验5:制作水球
  王亚平用饮水袋慢慢地向水膜上注水,不一会儿,水膜就变成一个亮晶晶的大水球。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。
  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,晶莹透亮的水球变成了粉红色,令人啧啧称奇。
  解读:受到内部分子的吸引,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,这种促使液体表面收缩的绷紧的力,就是表面张力。
  液体表面张力在航天活动中有重要应用。失重环境下,航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的,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,为动力系统提供满足要求的推进剂。
  互动无尽好奇点燃科学梦
  太空实验让人意犹未尽,天地之间继续着精彩互动。
  未来空间站将实现资源再生和循环利用
  人大附中高二年级学生司紫硕:我想知道那些水是从地面上带到天宫一号去的吗?你们在天上的生活用水可以循环使用吗?
  聂海胜:我们在天宫一号上使用的水都是从地面带来的。在太空中实现资源循环利用是非常重要和有价值的,但这需要先进的技术和复杂的设备,因此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,在天宫一号上也进行了部分相关关键技术试验。
  太空垃圾可规避防护
  北师大附中高一年级学生毛思锐:能看到太空垃圾吗?天宫一号是否有应对防护措施?
  王亚平:我们在飞行中没有看到太空垃圾,但太空垃圾确实存在。虽然它们与航天器碰撞几率很小,但一旦相撞后果不堪设想。因此,神十任务实施前,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,以确保安全。
  用体育锻炼等对抗失重
  潞河中学高一年级学生韩苏阳:请问你们采取哪些措施对抗失重对人体的不利影响?
  聂海胜:失重会造成人体心血管失调、骨丢失和肌肉萎缩。为了有效对抗失重,我们采取体育锻炼、药物和改变体液分布等方法来防护。这次我们从地面带来很多设备,如:企鹅服、套袋、拉力器、自行车功量计等。刚才我们进行太空授课的小讲台就是用自行车功量计改装的。
  每天看16次日出
  史家小学四年级学生邱甜: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:透过舷窗,我们可以看到地球,也可以看到日月星辰,但是没有看到过UFO。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,我要告诉你一件奇妙的事情,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。
  寄语太空奥秘探索无止境
  几次天地互动,不知不觉中,时钟已经指向了10点50分。带着眷恋和依依不舍,神十航天员们要和地面课堂的同学们说再见了。每位航天员都为同学们送上一句太空寄语——
  聂海胜说:“愿同学们刻苦学习,增长知识,为‘中国梦’添彩!”
  “深邃太空,奥秘无穷,探索无止境,让我们共同努力!”张晓光说。
  “飞天梦永不失重,科学梦张力无限!”王亚平把太空授课的内容和寄语完美地融合在一起。

 


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