太空授课实验很神奇 专家给你讲原理

　　浙江春晖中学，是全国三个“太空授课”直播点之一。学校的高二(1)班，则是最幸运的那间直播教室。

　　为何选择春晖中学？一直是大家穷追不舍的问题。春晖中学校长李培民说，“其实，我们也是14号才接到通知，非常突然。所有的方案，都是保密。”

　　但央视的解说已道出了缘由：春晖中学是现代文学与现代教育的发源地之一。李叔同、夏丏尊、丰子恺和朱自清，都曾任教于此。他们的故居，至今保留在春晖的白马湖畔。

　　而昨天的太空授课，让校长李培民再度思考现代教育：“在应对升学之外，如何给孩子更多的自由空间、想象空间和创造空间？其实，孩子最能看到问题的本质，也最具想象力与创造力。”

　　学生互动

　　王亚平留的问题，高二学生有了答案

　　45分钟的“太空课堂”，中国首名“太空教师”王亚平做了5个实验：质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球。

　　在太空，实验的效果堪称完美。每一个“奇迹”的产生，都赢得上虞市春晖中学同学们的惊叹声。而水球，更是出乎他们的想象。

　　“太空中居然也会有张力！”春晖中学高二(1)班的物理课代表李望来惊叹道。晶莹剔透的水球，深深地征服了他。

　　对于张力，李望来一直充满好奇。他曾与同学有过激烈的探讨，“我觉得张力的存在与某个场相关。”

　　可是，在太空，究竟又是什么样的原因，创造神奇的张力？对此，李望来有自己的猜想，“自然界创造的东西比较完美，而球体则是最完美的形状。”

　　在太空中，还有什么办法可以测质量？这是太空教师王亚平留给学生的问题。春晖中学的李望来，想到了解决办法。

　　在直播镜头面前，他写下了答案：T=2π√m/k。他拉动讲台弹簧装置，弹簧上的物体上弹动。“这是振动周期公式，k是弹簧的软硬度，m是质量，T是振动周期，通过表秒可得”。由此，推导出m=Tk2/4π2

　　第二种方案：Fn=m(2π/T)2R。“这是匀速圆周中的公式。”李望来说。同时，他还画了一张图：弹簧的一端固定在O点，另一端挂上小木块。“用手给小木块初速度，小木块就做圆周运动。“F是弹簧的测力计读数，R是运动半径，通过刻度尺可量出来。”

　　这两种方法，李望来到底怎么想出来的？“第二种，是必修课的内容。第一种，需要多看相关的课外书，或许能找到答案。”他神秘地笑言。

　　那么，这两个方案到底对不对呢？感兴趣的你，可以一起解答太空教师的作业题。

　　奇迹背后，藏着什么秘密

　　那么，质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个物理实验背后，究竟藏着怎样的原理？

　　昨天，本报记者邀请浙江大学航空航天学院的专家以及浙江省物理特级教师(杭州第十四中学)骆兴高揭秘。

　　实验解密

　　实验一：质量测量

　　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？”太空教师王亚平问。

　　在天宫一号，有一样专门的“质量测量仪”。“太空授课”的助教聂海胜将自己固定在支架一端，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，就测出了聂海胜的质量——74千克。

　　揭秘：牛顿第二定律

　　对这个问题，王亚平就有解释，“其实，就是牛顿第二定律F=ma。”也就是，物体受到的力=质量×加速度。如果知道力和加速度，就可算出质量，“弹簧凸轮机构，产生恒定的力。也就是，刚才将助教拉回至初始位置的力。此外，还设计一个光栅测速系统，可测出身体运动的加速度。”

　　特级教师骆兴高：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)。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，因此在太空和地面都是成立的。

　　实验二：单摆运动

　　T形支架上，细绳拴着一颗小球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平将小球拉升至一定高度后放掉，小球像着了魔似的，固定在此位置，一动不动。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。

　　揭秘：太空失重

　　浙大航空航天学院专家：在地面，单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速有关。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。

　　实验三：陀螺运动

　　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。

　　揭密：角动量守恒

　　特级教师骆兴高：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。

　　实验四、五：制作水膜、水球

　　这是同学们最感兴趣，也是最神奇的实验。

　　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“红灯笼”。

　　揭秘：液体表面张力

　　浙大航空航天学院的专家：液体表面层内分子间存在着的相互吸引力就是表面张力，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。

　　特级教师骆兴高：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。