中国首次太空授课活动成功举行：航天员展示失重物理实验，清华大学专家解读

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据新华社报道，我国首届航天教学活动20日上午成功举办。在约40分钟的讲座中，宇航员通过质量测量、摆锤运动、陀螺运动、水膜和水球等五项基础物理实验演示了失重状态。环境中物体的运动特性、液体的表面张力特性等物理现象。全国8万多所中小学超过6000万师生通过电视直播同步观看。

这些奇妙的实验反映了哪些物理原理？天地物理性质的差异对太空飞行有什么影响，在太空活动中有什么应用？清华大学航空航天学院副教授王兆奎对这些问题进行了解释。

神奇的水滴变成美丽的水气球

实验

太空称重

实验：王亚平首先展示了两个相同的弹簧，分别固定两个不同质量的物体。屏幕显示两个弹簧平衡在同一位置，无法测量物体的质量差。然后镜头转向天宫一号用来测量质量的“质量测量仪”。聂海胜将自己固定在支架的一端，王亚平轻轻地打开了支架。他一松手，支架就在弹簧的作用下回到了原来的位置。 LED屏幕显示聂海胜的质量：74公斤。

解读：这个实验形象地说明了牛顿第二定律的基本原理——“物体的加速度与物体所受的力成正比，与物体的质量成反比”。这是所有惯性空间中普遍适用的规则。基本物理定律不会因物体的引力环境和运动速度而改变，因此无论在太空还是在地面上它们都是正确的。

在地球表面，由于地球引力的作用，物体的质量反映为重量。当一个物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和地球对物体的重力是平衡的，因此可以从弹簧秤的读数得到物体的重量。在高速绕地球运行的航天器中，地球的重力通过航天器的离心力来平衡。飞船内部不再有地球引力的影响，也没有重量的概念，所以弹簧秤没有读数。

天宫一号中的“质量测量仪”直接采用了在航天活动中广泛应用的牛顿第二定律。例如，航天器的燃料消耗一段时间后，总质量会发生变化，这可能会影响轨道控制的精度。此时可以打开推进器，同时测量航天器的加速度，从而计算出航天器的质量。

实验

空间摆

测试：在T形支架上，用绳子系上一个小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平将球举到一定高度后放手。球并没有像在地面上那样来回摆动，而是悬浮在半空中。王亚平用手指轻轻一推球，球开始绕T型支架的轴线做圆周运动。

解读：实验中，球并没有来回摆动，而是悬浮着或者做圆周运动。这是由于太空失重造成的。在地面上，一旦松手，球就会在地球引力的影响下向下移动。由于球通过绳子连接到支架，因此它会在绳子上来回摆动。但太空中没有重力，球只会漂浮在原地。也因为重力环境的不同，如果在太空中轻轻推球，球就会在绳子的牵引下做圆周运动。在地面上，需要给球足够大的初速度，使其能够克服地球引力的阻碍，实现圆周运动。

失重是太空和地面环境之间最重要的区别之一。虽然它给飞行生活带来了很多有趣的体验，但也阻碍了宇航员在舱内的操作，对宇航员的心血管系统和肌肉骨骼系统产生不利影响。针对这一问题，航天医学专家制定了许多医疗防护措施，宇航员也会在飞船中积极锻炼，增强心血管和肌肉功能。

实验

空间陀螺仪

测试：王亚平拿出一件红黄相间的上衣，挂在空中。用手轻轻一推陀螺顶部，陀螺就会滚动飞走。紧接着，她取出了一个一模一样的陀螺，让它旋转起来，漂浮在半空中。然后她用手轻轻推了一下。旋转的陀螺不再滚动，而是绕着固定的轴线继续向前飞行。

解读：旋转陀螺仪有一个固定轴，固定轴遵循角动量守恒原理——在没有外力矩的情况下，物体的角动量将保持恒定。宇航员施加的瞬时干扰力无法产生持续的扭矩。由于角动量守恒，旋转陀螺仪的旋转轴不会发生明显变化。之所以在地面上很难实现，并不是因为角动量守恒定律不成立，而是因为陀螺仪与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺仪的角动量，导致其转速逐渐降低，无法快速达到。旋转方向保持良好。

利用角动量守恒定律，我们可以实现对卫星的定向控制。基于陀螺仪指向稳定性特性的陀螺仪也广泛应用于不同领域的各种平台的稳定性控制。雪铁龙C6轿车配备了陀螺仪传感器，可以测量车身的纵向和横向摆动，从而可以控制车身的稳定性。

实验

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太空水膜、水球

测试：王亚平将一个金属环插入饮用水袋中，慢慢拉出金属环，形成水膜。即使金属环受到晃动，水膜也没有破裂；当将一块带有中国结图案的塑料贴在水膜表面时，水膜仍然完好无损。然后她做了第二个水面罩，并用饮用水袋慢慢地将水倒入水面罩中。水膜很快就变成了一个闪亮的大水球。然后向水囊中注入空气，水囊内形成两个球形气泡，它们既没有被挤出水囊，也没有融合在一起。最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢蔓延，把水球变成了美丽的“红灯笼”。

解释：这两个实验都证明了液体中表面张力的作用。在内部分子的吸引下，液体表面的分子倾向于被拉入内部，导致表面类似于拉紧的橡胶膜。这种导致液体表面收缩的拉紧力称为表面张力。

表面张力现象在日常生活中很常见，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等。地球的重力使肥皂泡的顶部变薄而破裂，使其无法存在太久。很长一段时间。然而，太空中的液体处于失重状态。表面张力不仅起着很大的作用，而且还决定了液体表面的形状。在水膜实验中，表面张力使水膜像橡胶膜一样位于金属环中。它比地面上形成的水膜面积更大、持续时间更长。同样，由于没有重力的影响，当宇航员不断地向水膜中注入水时，水可以均匀地分布在水膜周围，并逐渐形成水球。

液体表面张力在航空航天活动中具有重要的应用。在失重环境下，航天器推进剂箱内的液体燃料界面和气体界面不再稳定，可能会出现液体迁移、气液混合等现象，导致推进剂无法正常供应。因此，科学家们创造了表面张力罐，利用表面张力来促进液体推进剂的流动，为动力系统提供满足要求的推进剂。

新华社制图