太空授课解析
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2013年6月20日上午10时，我国神舟十号女航天员王亚平在距离地面约340km的中国最高“讲台”——天宫一号为青少年进行了一次太空授课. 此时授课活动通过我国天链一号01、02、03等中继卫星共同构成的中国太空数据“中转站”（如图1所示），与设在地面的北京人大附中、浙江上虞春晖中学和南昌阳明学校等三个地面课堂直播点的师生们开展双向互动交流，整个授课持续时间约为40分钟. 在此次短短四十分钟的时间内，另外两位航天员聂海胜、张晓光配合王亚平演示了质量的测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球的制作等五个基础物理实验. 同学们通过电视、网络等媒体的现场直播，亲眼目睹了物体在失重条件下所表现出来的特点，液体在失重条件下其表面张力所表现出来的奇妙现象，同时也感受到了科学的力量和魅力.
[图1]
为了帮助同学们更好地理解本次太空授课中五个物理实验的原理，本文结合中学物理知识，分别就实验的装置、现象、原理、拓展及应用等进行解析.
1.质量测量
回放 聂海胜盘起腿，玩起了“悬空打坐”，王亚平用手指轻轻一推，聂海胜摇摇晃晃向远处飘去. 这一幕在告诉我们，这里是天宫一号，处于失重环境条件下. 王亚平首先展示两支完全一样的弹簧，它们分别固定了两个不同质量的物体. 但两个弹簧平衡在同一位置，这说明在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的质量（注：准确的是在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的重力）. 随后镜头转向天宫一号中用于测量质量的“质量测量仪”. 聂海胜把自己固定在支架一端（如图2所示），王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架在弹簧的作用下回复原位. LED屏显示出聂海胜的质量：74kg. [图2]
原理 天宫中的“质量测量仪”原理是牛顿第二定律：物体受到的力等于它的质量与加速度的乘积，即[F=ma]. 实验中设计了用传感器获得物体运动到某位置的加速度和该位置弹簧上的弹力大小，通过DIS系统由牛顿第二定律就可以算出身体的质量，并将结果在LED屏显示出来. 这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比. 这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，这一定律在太空和地面都是成立的.
应用 这个原理在航天活动中有着广泛的应用. 例如，航天器的燃料消耗一段时间后，总质量会发生变化，可能影响轨道控制的精确度. 这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度，从而计算出航天器的质量.
拓展 天宫一号在绕地球做圆周运动，其内物体所受到的地球的万有引力（即此处物体的重力）用于物体随天宫一号绕地球圆周运动所需的向心力，虽然此时物体的重力并不为零，但物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力均为零，因此物体处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 如在此环境下不能用天平测物理质量，不能用水银气压计测飞船内气体压强，溶液不会分层等.
例1 从事太空研究的宇航员需长时间在太空的微重力条件下工作、生活，这对适应了地球表面生活的人，将产生很多不良影响，例如容易患骨质疏松等疾病. 因此宇航员在天宫一号内应积极进行体育锻炼. 下列器材适合宇航员锻炼的器材是（ ）
A.哑铃 B.弹簧拉力器
C.单杠 D.跑步机
解析 由于天宫一号在绕地球做圆周运动，处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 本题正确选项为B.
2. 单摆运动
回放 在T形支架上用细绳拴着一颗小钢球. 这是单摆实验装置. 王亚平把小球拉升到一定高度后轻轻放手，小球并没有像在地面那样往复摆动，而是悬停在了半空中. 王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动.
原理 这是太空中的失重现象导致的. 在地面上，一旦松手，在重力的作用下，小球会被细绳牵着来回摆动. 但在太空中与重力有关的现象会消失，小球只会在原地悬浮. 如图3所示，设小球质量为[m]，细线长即小球圆周运动的半径为[R]. 在地面上，小球在圆的最高点受重力[mg]与细线拉力[T]，小球速度大小为[v]，有[mg+T=mv2R]，且[T≥0]，则[v≥Rg.]
[图3]
在圆的最低点给小球的初速大小为[v0]，由机械能守恒定律，有[12mv2+mg2R=12mv20]，可得[v0≥5Rg]，即在最低点需要给小球足够大的初速度，才能使小球克服地球重力的影响，实现在竖直平面内的圆周运动. 但在太空中的失重环境下，只需轻轻推小球一下，即给小球一个大小不等于零的初速度，小球就会在细绳的拉力提供向心力的条件下在竖直平面内做圆周运动.
应用 在地面上能正常使用的摆钟，其原理利用了单摆的等时性. 但在太空失重的环境下摆钟不能像单摆一样地正常来回摆动，因此在太空中不能使用摆钟计时.
拓展 当运动的物体存在竖直向下的加速度，且加速度大小等于重力加速度大小[g]时，物体也处于完全失重状态.
例2 如图4所示，在一只木箱的顶板上用细线悬挂一个摆球，当木箱静止时摆球做单摆运动. 在摆球做单摆运动的同时突然将木箱向右上方斜抛出去，不考虑空气阻力，则以下说法可能的是（ ）
图4
A.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱仍是单摆运动
B.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱是静止的
C.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱做匀速圆周运动
D.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱是静止的
解析 不考虑空气阻力时，木箱做斜抛运动，无论木箱是向上运动还是向下运动，都存在竖直向下的加速度[g]，木箱及内物体均处于完全失重状态. 当摆球摆到最高点时（此时摆球速度为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱是静止的，选项B、D正确；当摆球不是在最高点时（此时摆球速度不为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱做匀速圆周运动，选项C正确；故本题正确选项为B、C、D.
3. 陀螺运动
回放 王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中，用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处. 紧接着，她又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.
原理 转动的陀螺遵守角动量守恒原理：在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定. 由于角动量守恒，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，不能很好地保持旋转方向.
应用 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. 当然陀螺仪还有很多应用，比如利用陀螺仪的“定轴性”，可以用来测量运动物体的姿态、稳定运动物体的运动方向，测量其方位等. 因此在姿态仪表、航向仪表、导航系统、飞行控制系统中都有三自由度陀螺. 它广泛地应用于航空、航天、航海等领域. 陀螺仪器还能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准. 有些小轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现对车身稳定度的控制.
拓展 自转（Rotation）是物体绕自身轴转动的现象，当自转物体的自转轴又绕着另一轴旋转的现象称为进动（Precession），又称为旋进. 进动的产生是由于转动物体受到垂直于其动量矩的外力矩作用. 常见的例子是陀螺. 进动是宇宙中天体物质或微观粒子绕某一中心公转运动而表现出来的结果，太阳系绕银河系中心运动，所以太阳相对银河系中心有进动；太阳系星系绕太阳运动，所以行星相对太阳有进动；卫星绕行星运动，所以卫星相对行星有进动；如水星的轨道偏离正圆程度很大，近日点距太阳仅四千六百万千米，远日点却有7千万千米，在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行，称为水星进动. 地球自转的进动引起岁差. 同样，微观粒子世界的电子绕电子核运动，同样有进动. 原子磁矩绕外磁场方向的转动称为原子进动.
[图5]
进动可使物体保持其状态的稳定性. 如自行车在不运动时很难保持其稳定的竖直状态，但在运动时由于车轮的旋转产生一种进动，则容易保持其稳定的竖直状态.
例3 如图5所示，芭蕾舞蹈演员在旋转时，除脚尖着地外，两手总是靠近身体. 这么做是为了 .
解析 减小阻力矩. 演员要保持较长时间的旋转，应满足其角动量守恒，即要求合力矩为零. 脚尖着地是为了减小来自地面的阻力矩；两手靠近身体是为了减小来自空气的阻力矩.
4. 制作水膜、水球
回放 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. 此时她深有感触地笑着说：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. 接着王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，形成了一个水膜. 晃动金属圈，水膜也没有破裂；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. 她接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球. 再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起. 最后她向水球内注入一种红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”（如图6所示）.
[图6]
原理 这两个实验均展示了液体表面张力的作用. 液体的表面张力由液体内分子的吸引力产生的. 液体表面分子有被拉入内部的趋势，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，就是液体的表面张力. 在表面张力的作用下，液体有收缩到表面积最小的趋势. 数学上可以证明：在体积一定时，球形物体的表面积最小. 因此我们看到了一个晶莹剔透的小球. 在水球内再注入一种红色液体，由于分子的扩散作用，原来透明的水球最终变成了一个红色的球.
应用 液体表面张力在航天活动中有重要应用. 失重环境下，航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的，可能产生液体迁移、气液混合等现象，导致推进剂无法正常供应. 因此，科学家们制造了表面张力贮箱，利用表面张力推动液体推进剂流动，为动力系统提供满足要求的推进剂.
拓展 表面张力现象在日常生活中非常普遍，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等. 地球引力使得肥皂泡上方变薄破裂而无法长久存在，而太空中的液体处于失重状态，表面张力不仅大显身手，还决定了液体表面的形状.
例4 已知肥皂泡膜内外气体压强差为[ΔP=4αR]，其中[α]为液体表面张力系数，[R]为膜的曲率半径. 如图7所示，当用一导管连接一大一小的两肥皂泡时，看到的现象是什么？
[图7]
解析 由于肥皂泡膜内外气体压强差为[ΔP=4αR]，液体表面张力系数[α]只与液体有关. 在外部气压相同的情况下，曲率半径[R]较大的肥皂泡膜内气体压强较小，曲率半径[R]较小的肥皂泡膜内气体压强较大；当用一导管连接一大一小的两肥皂泡时，小泡内气体就会沿导管流向大泡内，这样使得大泡曲率半径进一步变大，内气压就进一步减小. 当小泡减小到以导管横截面为直径的半球后，再进一步减小时其曲率半径反而会增大. 因此最终当小泡与大泡的曲率半径相等时，内部气压相等达到平衡（如图8所示）.
图8
太空寄语 当奇妙的太空实验结束后，航天员开始回答同学们提出的五花八门的问题：天宫中的水从何而来？能否看到太空垃圾？天宫一号是否有应对太空垃圾的防护措施？在太空中采取哪些措施对抗失重对人体的不利影响？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？…… 三位航天员对同学们提出的问题一一做出了解答. 最后航天员们在距地面340km的天宫一号内，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！”