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太空授课:五个实验展示足够震撼的新世界
人民出版社网    www.ccpph.com.cn    2013-06-21      来源:  中国政府网-中国要闻

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  新华社北京6月20日电(记者姬少亭 许晓青)老师在距离学生300公里的太空中,课堂人数超过6000万人,这个世界上最大的课堂出现在人类航天时代的最开端。
  科幻作家刘慈欣说:“这堂课最伟大的地方不在于简单展示了几个知识点,而是像一支画笔一样,为孩子们描述了一个与地球重力世界不同的太空世界。”
  刘慈欣守在电视机前认真上完了这堂近一个小时的太空物理课。与此同时,他的女儿也在山西一所中学的课堂里,成为了爸爸的“同学”。
  五个实验展示了足够震撼的新世界
  “课堂展示了另一个世界,物理规律与地面一样,但因为失去了重力,这个世界的运行方式与地面是完全不同的。它会很大地启发和开阔孩子们的思想、视野。”刘慈欣认为,那是一个新世界,虽然在图像上看来很狭窄,但完全不同于日常状态。对学生们来说,这已经足够震撼。
  37岁的上海延安初级中学物理教师解进和初二年级一个班的30多名学生一起观看了直播。在直播过程中,解老师没有插话讲解,而是让孩子们自己去体会。
  解老师说,这堂课包含的几个实验超过了数十个教学,“耳听为虚、眼见为实”,普通教师很难在地球上创造相同环境。实验的核心问题是比较地球和太空两个环境下“有重力”和“无重力”的不同。
  第一个实验其实是区别质量和重量。平时称量体重,测得的重量并不是质量。而王亚平操作的仪器测得的是聂海胜撞向一个平面时的速度,仪器又记录下了时间,因此仪器根据V=AT计算出了聂海胜的加速度,再根据已知的太空秤的弹簧回复力,根据F=MA,最终可以精确计算出聂海胜的质量。
  中国科技馆的副研究员赵洋说,这个实验利用了牛顿第二定律,而这个定律在太空中有很强的应用性。这位中国科学院科学技术史博士举例说,美国有一次航天器对接时,需要对接力度恰到好处,这两个航天器质量一致,又可以控制速度,力度得到了很好的控制。
  第二个单摆实验,也与地心引力有关。解老师说,在地球上的课本教学中,教给孩子们的是,小球的机械能等于动能加势能,小球在单摆运动时,动能和势能可以相互转换,但太空中就不一样了,小球只受到了王亚平给出的初始动能,不能摆起,因为势能不存在。同样因为上下左右的概念不存在,小球呈现的圆周运动,其实是在太空中任何一个平面上的圆周运动。
  第三个陀螺实验,是所有实验中,受到重力影响最小的一个。高速旋转的陀螺在太空受到外界其他力的干扰几乎为零,因此在初始状态下,陀螺可以始终指向指定的方向,起到导航作用。
  赵洋说,这里面包含了角动量守恒原理,实际应用已经有很多,例如很多通信卫星,为保证天线对准地面,就通过陀螺高速自转达到稳定。
  最令赵洋惊喜的实验是第四个水膜实验。他说,他猜到了大部分实验,而亲眼看到水膜变水球的情景令他感到很奇妙。“就像是升维,从二维水膜逐渐变成了三维水球。”
  解老师认为,从表面看是水的张力问题,其实也是重力问题,太空不受重力影响,“水膜自然就HOLD住了!”解老师说。
  中国科学院理论物理学家李淼提到,水的受力主要是无数个水分子之间的引力,向水膜不断注水,形成的是水球。由于张力,水的表面积有很多能量,在体积一定的情况下,会尽量使表面积最小,而球面的表面积最小。
  第五个是水球实验。地球上,在不同的水的深度,物体受到的压力不同,气泡受到的压力上小下大,因而自然向上。太空中的气泡在水中受力是均匀的,除非有外力干扰,气泡会安静地呆在水球中。
  赵洋说,太空旅行时会用到液体燃料,了解气泡在液体中的状态,会非常有助于消除气泡,保证燃料在管道中的顺畅运行。
  在解释对水球进行染色时,李淼提到了扩散原理。因为没有重力,所以染料没有固定去向,向四面八方均匀扩散。解老师说,亚平老师希望告诉小朋友,在太空实验中进行材料融合实验,得到的合成材料的分子、原子分布均匀度高于在地球上的情形。“这样的太空材料技术今后是否能得到广泛应用,从而为人类制造出更多高品质合成材料,是非常有趣而有悬念的。”
  解老师说,这些实验当中,有关“质量和重量的区别”“小球的机械能”“水的张力”的大致知识,在上海初中的物理课和科学课上都会讲到,但学生们学习有关F=MA、V=AT等公式,学会计算水的压强等,还要到高中阶段。
  “中国梦”有一部分是要放到太空去做的
  “小时候看到的东西会对人生有很大影响。”赵洋说,他小时候特别喜欢看有关太空的电视节目,后来,他就报考了北京航空航天大学,继而去中科院继续读博士。
  作为航天迷、太空迷和科幻迷,赵洋称神十升空、太空授课为太空迷的节日。正在“过节”的他说,太空是一个非常好的实验场所。“天然的微重力、很高的真空度以及无处不在的辐射,这三个条件都是很好的实验条件。”
  他说:“‘中国梦’,有一部分是要放到太空中去做的。”
  “历史上经济和科技发达的大国,全都有自己的太空梦,他们或是建成了人类的第一个空间站,或是把人类送到了外星,有很多科学定律都是以他们的名字命名的,但以中国人名字命名的却很少。未来,很多未知都会来自太空,人类要向太空要知识、要资源。”
  李淼说,他正在参与的引力波测量实验,就非常适合在太空做。他解释说,万有引力也有波,跟电磁波类似,但是还没有被直接测量到,而仅仅间接观测到其效应。
  作为理论物理学家,他还很想在太空中进一步验证爱因斯坦的广义相对论,用精密仪器测量时钟是否会变快,以及陀螺运动的变化。作为科幻作家,他甚至希望到黑洞边上去做实验,看看根据相对论,人会不会变得更年轻。
  赵洋说,真正的太空科学实验和演示实验是有区别的,王亚平的实验看似非常简单,却“触及了宇宙的本质”。

 


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