神十、神女、神奇的五个太空实验-孙恒芳教你学物理在中国最高的讲台在远离地面300多千米的天宫一号，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。在中国最大的课堂从首都北京到祖国四面八方，8万多所中学、数千万名师生通过广播、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。序曲：来自太空的问候今天上午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精心剪辑的电视短片航天员在太空的衣食住行。尽管同学们早已从科普读物和影视作品中了解到失重环境的奇妙，可是从大屏幕上看到神舟十号航天员像鱼儿一样自由游弋，仍不时发出阵阵低语和清脆的笑声。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，面带微笑向地面课堂的同学们挥手致意：“同学们，你们好！”“我是王亚平，本次授课由我来主讲。”航天员王亚平轻点脚尖，向天宫一号舱内摄像机镜头缓缓飞来。为了备好课，这位“主讲”可没少下功夫，不仅精心准备了授课内容，向专业教师虚心请教讲课技巧，还对个人形象进行了精心设计扎起了秀气的马尾辫。只不过，在失重环境下，精心梳理的马尾辫变成了蓬松的“毽子”，惹得同学们笑作一团。“大家好！我是聂海胜，担任本次飞行任务的指令长。”指令长屈尊当起了“助教”，负责配合“主讲”管理教具，维护课堂秩序。由于天宫一号是精密的飞行器，航天员们的授课活动必须小心进行，既不能动作幅度太大、干扰到正常飞行，还要当心漂浮的实验器材、液滴影响到航天器安全。“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，保持自身平衡并不容易。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，才能把太空授课的精彩图像传回地面课堂。6月20日上午10时许，神舟十号航天员进行中国首次太空授课，女航天员王亚平担任主讲，成为中国首位“太空教师”。（视频截图） 实验一：质量测量演示没有了重量，是否意味着失去质量？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”。在失重环境下，航天员们都成了“武林高手”，博得同学们阵阵喝彩。航天员的表演给同学们带来了疑问：在地面上，人们一般用天平、台秤、托盘秤、杆秤、弹簧秤测量物体受到的重力，从而计算物体的质量。那么，失重环境下怎样测质量呢？航天员老师用天宫一号上的质量测量仪现身说法。他们从天宫一号的舱壁上打开一个支架形状的装置，航天员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。王亚平向同学们解释道，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=vt)，就能够计算出物体的质量(m=Fa)。认真的王老师还给同学们布置了一道课后思考题：除了运用牛顿第二定律，还有什么办法可以在失重环境下测量物体的质量？使用弹簧振子试一试如何？图为王亚平做“小球实验”。（视频截图） 实验二：单摆运动演示太空中的机械钟表走得更准还是静止不动？演示完质量测量，航天员们又取出一个物理课上常见的实验装置单摆。T型支架上，用细绳拴着一颗明黄色的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中。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型支架的轴心做圆周运动而在地面对比试验中，需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转。太空实验趣味无穷，地面课堂的学生们也不失时机地向航天员提出他们关心的问题。人大附中早培班学生徐海博举手提问：“航天员老师，您在太空中有没有上下方位感？”为了回答同学的提问，航天员王亚平在聂海胜的帮助下表演了一套“杂技”动作，分别进行了悬空横卧和倒立。看到航天员老师的精彩表演，同学们兴奋地鼓起掌来。实际上，航天员在太空中无所谓上和下的方位区别。不过，为了便于工作生活，航天员们为天宫一号人为定义了上和下，把朝向地球的一侧定义为下，并专门在“下方”铺设了地板。图为航天员王亚平在太空“玩陀螺”。（视频截图） 实验三：陀螺演示高速旋转的陀螺为什么不会倒下？物理学原理告诉我们，高速旋转的陀螺具有很好的定轴特性。在太空失重环境下，这一特性更加直观地呈现出来。航天员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，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持着固定的轴向，向前飞去。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。在天宫一号目标飞行器上，就装有各式各样的陀螺定向仪，正是有了它们，才能精准地测量航天器的飞行姿态。图为王亚平进行“水膜”演示。（视频截图） 实验四：水膜演示天宫里有没有“飞流直下”的瀑布？阳光下五彩缤纷的肥皂泡、能够让硬币漂浮的山泉水，总是带给人们很多遐想。这些都是液体表面张力在发挥着神奇作用。只不过，在地面上，液体表面张力难以抗衡地球引力的影响，只有经过特殊处理的肥皂水、富含无机盐的矿泉水才能表现出比较强的张力特性。但是，在太空失重环境下，液体的表面张力特性便突显出来。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，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中，与天宫一号舱壁上鲜艳的五星红旗图案交相辉映，更显得美轮美奂。王亚平笑着说：“如果诗仙李白在天宫里生活，大概就写不出飞流直下三千尺的名句了，因为，失重环境下水不可能飞流直下。”接着，她把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴上了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。这些在地面难得一见的奇特景象，引起了地面课堂同学们的连声惊叹。图为王亚平“玩水球”（视频截图） 实验五：水球演示用神奇的液体表面张力变个“魔法”液体表面张力的威力竟如此神奇！普通的饮用水还能变成更加神奇的“魔法水球”。王亚平用金属圈重新做了一个水膜，然后用饮水袋慢慢地向水膜上注水，不一会儿，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球，水球中还有一串珍珠般的小气泡，仿佛银河系中的繁星点点。聂海胜取出一支注射器抽出水球中的气泡，试验继续进行。王亚平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。水球也没有爆裂。紧接着，王亚平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。6月20日上午10时许，神舟十号航天员进行中国首次太空授课，女航天员王亚平担任主讲，成为中国首位“太空教师”。图为三名航天员向地面的同学们挥手致意。（视频截图） 尾声：寄语未来追梦人太空中的独特环境，不仅可以给人们带来奇妙的体验，还能够实实在在地为人类造福。王亚平介绍说，在失重环境下，人们能够获取结构更加均匀完整、尺寸更大的半导体晶体，有利于开展材料学基础性研究，优化和改进地面生产工艺。失重条件下冷原子钟的频率稳定度会大大提高，可以应用于高精度的卫星导航定位系统奇妙的太空实验令人意犹未尽，航天员老师还专门为地面课堂的同学们留下了课间讨论时间。听说可以面对面向航天英雄提问，同学们格外兴奋，一个个高高举起手臂，地面课堂嘁嘁喳喳热闹非凡。人大附中高二年级学生司紫硕首先获得提问机会，她问道：“航天员老师，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？”航天员聂海胜回答道：“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，因此在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。”北师大附中高一年级学生毛思锐提问航天员：“您能看到太空垃圾吗？天宫一号是否有应对太空垃圾的防护措施？”王亚平回答说：“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的几率很小，但数量却不少，一旦与航天器相撞，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，以确保我们的安全。”潞河中学高一年级学生韩苏阳问道：“请问你们在太空中采取哪些措施对抗失重对人体的不利影响？”聂海胜回答道：“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，等会儿，我们就会把它重新组装成一辆太空自行车，用来进行体育锻炼。”正在史家小学读四年级的邱甜同学好不容易等到了提问机会，张嘴就是一串“连珠炮”：“您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？”王亚平微笑着一一作答：“透过舷窗，我们可以看到美丽色的地球，也可以看到日月星辰，但是我们没有看到过UFO。由于我们处在大气层外，没有大气的阻挡和干扰，看到的星星格外明亮，但是不会闪烁。同样，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。”宇宙无限，探索无尽，同学们提出的问题也仿佛无穷无尽。不知不觉中，时钟已经指向了10点50。带着彼此的眷恋和依依不舍，航天员们要和地面课堂的同学们说再见了。他们每人都为同学们送来了太空寄语聂海胜说：“愿同学们刻苦学习，增长知识，为中国梦添彩！”张晓光说：“深邃太空，奥秘无穷，探索无止境，让我们共同努力！”王亚平说：“飞天梦永不失重，科学梦张力无限！”或许，短短几十分钟的太空授课，并不能满足同学们对太空知识的渴求、解答他们的所有疑问。然而，从同学们那聚精会神的亮晶晶的眼眸中，从他们发自内心的掌声欢呼声中，记者真切地感到，一颗颗热爱科学、追寻梦想、探索未知的种子已在他们心底悄然扎根。人们有理由相信，这一颗颗梦的种子，必将绽放出更多更加绚烂的花朵。