太空授课——郭桐(修改版)

太空授课
郭桐
郭桐物理工程学院 12级物理学（本硕）
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摘要：中国作为一个正在发展的大国，科技创新实力必是提升竞争力和军事战斗力的保证，也是使中国成为一个强国的关键。

而科技创新实力靠的是什么呢？那就是源源不断的创新型人才，这些优秀的创新型人才的产生必然要依靠良好的教育作保证。

我们这些同龄人以及后辈，在当下也面临着中国应试教育的弊端，为了提升广大青少年学习的兴趣，教育方法成为人们广泛谈论的话题。

而这时“太空授课”一词也就应运而生。

关键词：太空、授课、质量、失重、角动量
Space lesson
Summary: China, asa developingcountry,the strength ofscience and technology innovationto enhancecompetitiveness andmust be aguarantee ofmilitarycombat, but also to makeChinabecomeapowerhouseof the key.Thetechnologicalinnovation strengthbywhat is it? That isa steady stream ofinnovative talents,these outstandingcreative talentis bound torely onthe production ofa good educationas a guarantee.Those of uspeersandyounger, is also facingChinain the presentshortcomings ofexamination-oriented education, in order to enhancethe young people's interest in learning, teaching methods becomewidespreadtalk about.And then"Spaceteach" the wordalso emerged.
Keywords:Space;Teaching;Quality;Weight loss;Angular momentum
一说到太空，大家都想到了什么？我想到了宇宙，想到了浩瀚无穷，想到了黑暗，想到了充满奥秘，想到了起源。

太空孕育了地球，而地球孕育了我们，我们现在要探究太空的奥秘，而太空又是那么的神秘而美丽。

我们研究的太空历史可以追溯到很久以前，首先出现在我脑海里的人物是开普勒和第谷这两位伟大的科学家，他们都是非常优秀的天文学家。

第谷先生为天文学奉献了一生，观测到了很多精确数据，这对未来宇宙的研究做出了巨大的贡献。

说到开普勒先生，我想大家都会想到开普勒三定律，我们在高中物理课上就学习开普勒三定律了，它是描述行星绕太阳如何运行以及它们的所运行的轨道问题的学说。

这些先人的成就都是我们人类研究太空研究宇宙的一大跨步。

太空确实是一个很神秘的东西，可以勾起人类的无限遐想，人类无时无刻在对太空进行着研究。

人类已经对太空展现出来了无比的兴趣，尽管有时会遭遇挫折，但人们对太空的探索脚步也从未终止过。

中国作为一个正在发展的大国，科技创新实力必是提升竞争力和军事战斗力的保证，也是使中国成为一个强国的关键。

而科技创新实力靠的是什么呢？那就是源源不断的创新型人才，这些优秀的创新型人才的产生必然要依靠良好的教育作保证。

我们这些同龄人以及后辈，在当下也面临着中国应试教育的弊端，为了提升广大青少年学习的兴趣，教育方法成为人们广泛谈论的话题。

而这时“太空授课”一词也就应运而生。

“太空授课”，顾名思义，当然也就是在太空讲课，在这种特殊的环境下，宇航员们做着简单的物理实验，使一切实验现象都变得很神奇。

广大学子们通过这种奇特的授课方式，将对一些物理定律有更强化的记忆与更深刻的理解，他们也会对高科技事业有着更高的兴趣，从而引导他们走上科研的道路。

他们今后将对祖国的繁荣昌盛贡献全部力量。

那么就来说说中国历史上仅有的这一次太空授
课。

这篇报道是这样的：“神十航天员北京时间2013
年6月20日上午10点在太空给地面的学生讲课，
此次太空授课主要面向中小学生，使其了解失重条
件下物体运动的特点、液体表面张力的作用，加深
对质量、重量以及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
进行双向互动交流。

”
右图这是担任本次太空授课的三位宇航员，他
们分别是张晓光、王亚萍和聂海胜，他们都是祖国优秀的航天员。

他们将为我们带来一节生动的物理课。

他们现在在天宫舱内，担负着人类光荣而艰巨的使命。

他们将为祖国的花朵提供引导正确的道路。

这次的太空授课总共分为四段内容：第一部分是如何在太空侧质量，第二部分是研究单摆在太空中的运动，第三部分是研究陀螺在太空中的运动，第四部分是在太空中制作水膜和水球。

第一个实验——在太空如何测质量。

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？关于这个问题，笔者第一次接触是在高二的物理课上，老师问我们在太空中怎么测质量？我想到在太空中一切物体都是失重状态，在地球上普通的测质量方法根本就不能用。

所以我最先想到的方法就是用牛顿第二定律：
F=ma
找到一个恒力，测出恒定加速度，就能求出来物体的质量了。

果然宇航员所讲解的也是用这个原理，但是设备是极其先进的，他们有一个恒力输出设备，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）。

又因为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，因此在太空和地面上都是成立的。

（如图所示）那么还有什么可以测质量的方法吗？答案是
肯定的。

一种方法是根据能量守恒，也可以间接说是根据
动能定理（这只是从不同的角度去说而已），具体来说就是
制造一个模型装置，给一个固定在轨道上的滑块提供一个
恒定的速度，让它沿着轨道直线运动，然后在其运动轨道
的末端连一个弹簧，随后滑块将与弹簧接触，直至滑块速
度为零。

原理为该物体的动能完全转化为了弹簧的弹性势
能，列出式子求解即可（要使摩擦力为0）。

另一种方法是
用动量守恒，这种方法只要是熟知动量守恒的人都能想得
到。

还有一种方法就是用万有引力的相关公式了，具体就
不仔细说明了。

接下来第二个试验——研究单摆在太空中的运动。

右图是物理课上常见的实验装置——单摆。

在太空中的T形支架上，细绳拴着一颗小球。

王亚平将小球拉升至一定高度后放掉，小球像着了魔似的，用很慢的速度摆动。

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。

在地面，单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速度有关。

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。

而在地
面，空气的阻力使物体的速度越来越慢，重力则使物体
向下掉。

看完这个实验，笔者认为牛顿第一定律可以很
好地总结这是试验。

牛顿第一定律是这么描述的：一切
物体在没有受到力的作用时（合外力为零时），总保持匀
速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫
使它改变这种运动状态。

这就是在太空中单摆运动实验
带给我们的启示，通过观察，我们肯定会记住这种特殊的现象，并且将对牛顿第一定律会有更深的理解。

第三个试验——研究陀螺在太空中的运动。

在太空中，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。

因
为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。

在太空中，这么一个简单的实验就能让我们更深刻的理解角动量守恒定律。

最后一个实验是——在太空中制作水膜和水球。

这是
同学们最感兴趣，也是最神奇的实验。

在太空中一个金属
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。

更奇迹的时刻：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“红宝石”。

原理来源于液体表面张力，液体表面层内分子间存在着的相互吸引力也就是表面张力，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。

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。

水的张力是物理学研究中的一个很重要的方向，相信通过本次试验大家都对水的张
力所表现出来的现象有了更深的了解。

物理学之美就在于在物理学中你可以提出很多问题，而这些问题看似简单，但它却可能包含很多知识以使它难以解决，这也就是研究物理学的妙处所在。

在这里笔者对太空授课有两个疑问。

第一在太空舱内，必然是失重状态，在失重状态下宇航员之间可以用语言交流吗？关于这个问题我已经通过网络知道了答案，并且觉得这个问题提的有点可笑了。

在太空中，一切物体都处于真空状态，而在太空舱内，里面是有空气的，众所周知声音的传递需要介质的辅助，所以空气就是传播声音的介质，所以在失重状态下宇航员之间可以用语言交流。

也可以这么想，若是太空舱内没有空气的话也就是说，宇航员们在视频中是处于真空中而且没有保护，因为人体内的压强比外界的压强大，所以人若是暴露在真空中就会必死无疑。

然后，第二在太空中为什么所有的物体都是失重状态呢？这是因为，一个物体处在太空中它所受到的万有引力几乎全部提供了向心力，所以他就会表现出是失重状态。

我们可以利用太空资源来进行什么科学研究呢？利用太空这种独特的资源，一方面我们可以开展技术研究。

另一方面，我们还可以为应用服务提升空间。

比如说，在失重环境下，我们可以获取到结构更加均匀完整用途更大的半导体勘探材料；再比如说，在失重环境下冷原子中的频率稳定度会大大的提高，我们可以用于未来高精度的卫星导航定位系统。

总而言之，航天技术的发展已经渗透到我们生活的方方面面。

那么本次太空授课有什么意义呢？本次太空授课旨在激发广大中小学生对宇宙空间的向往、对学习科技知识的热情，使中小学生走近航天、了解航天、热爱航天。

作为继美国之后第二个完成太空授课的国家，此次太空授课不仅将提升全民对航天的兴趣，还会从应用上推动天地大容量信息处理产业的发展，而大数据时代的来临将成为天地大容量信息处理产业发展的契机。

同时这也意味着中国已经可以对地外航天器进行至少40分钟的实时监控，这意味中国已经拥有对洲际导弹进行全程的调整和监控能力。

太空授课，属于一种新型的教学模式，可能在不久的将来，它就会慢慢渗透到我们的生活中，来为我们的国家培养更多高技术的人才。

参考文献：
【1】百度视频-《太空授课全程回放》发布时间：2013-06-20。