航天专家解读我国首次太空授课物理原理

第一篇：航天专家解读我国首次太空授课物理原理

航天专家解读我国首次太空授课物理原理新华网北京６月２０日电（记者白瑞雪、赵薇、任珂）２０日上午举行的太空授课活动中，我国第一位“太空教师”王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等５个物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话与地面课堂师生进行互动交流。这些美妙的实验反映了什么样的物理原理？天地物理特性的差别给航天飞行带来什么影响，在航天活动中有什么样的应用？清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读。

实验一：质量测量——牛顿第二定律

实验过程：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。画面显示，两个弹簧平衡在同一位置，无法测量出物体的质量差别。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，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：７４公斤。王亚平解释说，质量测量仪通过弹簧产生力并测出力的加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出质量。

专家解读：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，因此在太空和地面都是成立的。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物体的质量体现为重量。物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡，因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量。而在绕地球高速运动的飞船里，地球引力被飞 1

船的离心力所平衡，飞船内部不再有地球引力的影响，也就没有了重量的概念，因此弹簧秤就没有读数。

天宫一号里的“质量测量仪”直接运用了牛顿第二定律，利用作用力和物体加速度的关系确定物体的质量。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。

实验二：单摆运动——太空失重

实验过程：Ｔ形支架上，细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手，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。

专家解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动。

失重是空间与地面环境最重要的差别之一。它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验，但也会妨碍航天员在舱内的操作，同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。针对这个问题，航天医学专家研究出很多医学防护措施，航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能。实验三：陀螺运动——角动量守恒

实验过程：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。

专家解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性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。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，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。

利用角动量守恒定律，我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪，还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制。雪铁龙Ｃ６轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

实验四五：制作水膜、水球——液体表面张力

实验过程：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，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。

专家解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用。受到内部分子的吸引，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，就是表面张力。

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。水膜实验中，表面张力使水膜像橡皮膜一样搭在金属环里，并且比地面上形成的水膜面积更大、存在时间更长。同样，由于没有重力影响，航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围，逐渐形成水球。

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。

第二篇：首次太空授课

“首次太空授课”中的未解之迷

翟

光

中国的首次太空授课已经完美结束。这次授课引起了国内外的广泛地关注，热烈地赞誉。我看过电视之后也发生了深深地思考，总觉得所讲的内容、实验的结果和所导出来的论点都少了点什么。都还存在着一些未解之谜。当然这不是王亚平的问题，而是物理学的问题。下面的这些问题是我对中国的、外国的院士们、教授们、专家们提出来的，是和他们探讨的。

这次授课的内容，大约有三个方面：

一、关于失重。

二、关于液体的表面张力。

三、关于陀螺仪的定轴性。

为了简明扼要，一般人都看得懂，我用了甲、乙两派相互问答的形式。甲方是我，乙方就是院士们、教授们、专家们了。当然，乙方的观点也是我虚拟的，如果有不精确之处，是我的错，权威们可以提出来问责。

一、关于失重 甲：什么是失重？ 乙：失重就是失去了重量。甲：什么是重量？

乙：由于地心的引力作用，物体具有向下的力，这个力的大小就是物体的重量。测量重量的工具有称、天平等，重量的量纲是公斤、克等等。

甲：这样说来，失重就是物体失去了地心点O对它的引力，从而它就失去了“向下的”力啦。

乙：不错。

甲：物体为什么会失重呢？

乙：就以神十来说吧,它的内部所以失重是因为火箭对它的推动，从而使它对地面产生了加速度运动，并且使它的相对于地面运动速度达到了第一宇速（7.9公里/秒）。

甲：火箭对飞船的推力，也就是和地心点O对飞船的引力相对抗的斥力吧！

乙：不错。

甲：那么，这个斥力为什么要达到第一宇速，飞船的内部才完全失重呢？

乙：因为根据落体定律，地面上的物体降落到地心点O时的速度也恰恰是7.9公里/秒。

甲：这就是说，失重是地心点O对飞船的引力和火箭对飞船的斥力的一种平衡态。

乙：正是如此。

甲：神十的航天员改装了一个装置，又测出了聂海胜的体重为74公斤，这是怎么回事儿啊？

乙：那个装置叫“质量测量仪”。测出的聂海胜的74公斤不是重量，而是他的质量。

甲：聂海胜的体重为74公斤，他的质量也是74公斤。那么，重量和质量既然都用公斤等计量，又完全相等，那么二者之间又有什么本质上的不同呢？

乙：重量是地心引力对地面上的物体的引力的强度，是能量，是可变的（如失重）。根据牛顿的定义，质量是物体的体积与密度之比。体积是几何学的形，密度则是构成体积的元素。质量是个常量，它不随着地心引力对物体引力的减弱和丧失而衰减和失去。至于重量和质量为什么都用“公斤”等来计量？用爱因斯坦的话说：“质量和能量是同一事物不同的表示”。而质量本质上也是能量，所以也叫“惯性质量”。一般说来，用“称”称出来的值叫“重量”，用天平“称”出来的值叫“质量”。测量聂海胜“质量”的测量仪，就是一台变形的天平。

甲：我们先不讨论“质量测量仪”是什么玩艺儿，这个既是重量、质量、又是能量（引力、斥力）的“事物”是什么呢？

乙：应该就是“物质”。“物质”是质量和能量的元素。甲：什么是“物质”呢？

乙：物理学家们似乎都没有明确地对“物质”下过定义。现代物理学家们说有“正物质”，“反物质”，并且正在千方百计地寻觅“反物质”，“暗物质”、“暗能量”……

甲：一些连“物质”是什么玩艺儿的学派却“上穷碧落下黄泉”地搜寻“正物质”、“反物质”、“明物反”、“暗物质”、“明能量”、“暗能量”……你们就不觉得荒唐、忽悠吗？

乙：干这些事儿的可都是当代的权威、大明星啊！

甲：不久前有位哲学家说：人类“认知真理永无止境”。所以在人类认识真理的历史长河中没有什么“权威”！只有一个一个的浪花或漩涡，有时明亮、艳丽，有时混浊、逆反。闪了闪，滚了滚、漩了漩……完了、散了、消逝了……俱往矣！

乙：这也太……

甲：不尊重权威了吧？鲁迅就拍案怒斥那些见了权威（特别是洋权威和沾了洋气的权威）就五体投地的奴性！

乙：你呀！

甲：关于失重王亚平还做过一个实验。乙：单摆的实验。

甲：这个实验很好，它简单，明了，一看就懂，没有什么科学的“自己的语言”。但是它也有一个未解之迷。

乙：哦！你这个不信上帝的异教徒！甲：把我送上火刑场嘛？

乙：嘿嘿……你要早出生几百年……就请说说你的谜吧！甲：王亚平先在台面上树牢一根钢棍。乙：嗯。

甲：在钢棍的一头拴上一根绳子。绳子的另一头拴着一个小球。乙：这就是实验的道具。

甲：王亚平把小球摆放在离钢棍顶端点O的任何一个地方，除了绳子有时有点弯曲之外，小球是不动的；既不降落，也不摇摆。

乙：它失重了嘛！

甲：王亚平用手轻轻推了一下小球，小球就烧着钢棍的顶点O旋

转起来。

乙：小球受到了外力的作用，因而改变了它的状态。甲：它为什么做圆周运动呢？ 乙：绳子拉着它嘛!甲：爱因期坦也提出过类似的实验，并用此解释矢量、矢经。乙：科学嘛!甲：关于这个实验所涉及的细微末节我们就暂不细论了。我在这里只提出一个未解的谜。

乙：愿闻其详。

甲：爱因斯坦用这类实验诠释月亮的绕地转动。乙：它们的原理是相同的嘛！

甲：先讨论第一个问题：月亮和地球之间果真有一条线吗？ 乙：牛顿说有！它就是“引力线”。现在科学家说有一条引力波。并上天、入地到处找。据说最近已经在“双白矮星”上找到了。

甲：那么，地球和太阳之间也有这么一条线喽？ 乙：那是当然！

甲：太阳有十大行星，应该有十条线啦。乙：理所当然！

甲：太阳系里还有很多彗星，还有无数的小行星，行星周围还有不少卫星，如果它们之间都和太阳有一条“线”连着，该有多少条线啊！而且这些线的长短不同、角度速度各异，按理这些线就应该绞成一团乱麻，可是实际情况并非如此，而是互不相干。为什么？

乙：说不清。

甲：那么，引力线、引力波之论呢？ 乙：……

甲：起码是个未解之谜吧。乙：应该是吧？

甲：还有个谜。小球的转动是王亚平推了它一下，可是月亮绕地，行星绕日又是谁推动的呢？

乙：牛顿说是上帝的“第一推动”，现在呢……大约是伽莫夫的

“大爆炸”吧？

甲：伽莫夫的“大爆炸”，霍金的“大塌缩”目前虽然已风靡世界，我们暂且不讨论它们的是是非非，但是它们现在毕竟还仅仅是一种假说吧？

乙：应该是这样的，宇宙、自然界的存在与运动的基本规律目前还是个谜。

甲：王亚平还做了一个水的表面张力的实验。乙：那是物理学的基本定律之一。

甲：什么是张力呢？液体的表面为什么有张力呢？

乙：张力就是拉力。液体的分子有一种拉力，因而就相互手拉手形成一层膜，这就是液体的表面张力。王亚平的水膜实验，特别是水球的实验证明了这个原理的科学性。

甲：王亚平还做过火焰成球形的实验，火焰的表面也有张力吗？ 乙：当然有！火焰也是流体吗？

甲：表面张力为什么能把水、火“张”成球呢？ 乙：球体的表面积最小，可包起来的体积却最大。甲：水、火可真聪明！既善选择，又精计算！乙：这是自然界的规律！甲：是什么规律呢？

乙：现代物理学、数学还真不知道！是个谜，所以才有了“彭加莱猜想” 甲：再说第三类实验。乙：是陀螺吧？ 甲：不错。

乙：这类实验也有未解之谜吗？

甲：陀螺不转的时候，王亚平推了它一下，它怎么样？ 乙：它翻跟头。

甲：王亚平把陀螺转动起来，它就不翻跟头了。朝着一个固定的方向转动。

乙：这就是“定轴性”，是一个普遍性的运动原理。

甲：这种“原理”是什么呢？ 乙：“原理”就是原理，不论为什么？ 甲：就是说你们不知道！

乙：不错！数学中，自然科学中的“原理”就是一种规定，只讲其然，不解其所以然！

甲：就是说“定轴性”也是个未解之谜！

乙：不错！只要有实用价值就是科学真理！至于这些谜就让它“谜”着吧！谜着一样能造出原子弹、火箭、飞船……

甲：所以你们也不过是恩格斯所说的那类“工程师”。乙：你这个“野路子”理论家提出这个谜，那个谜，你能解开这些谜吗？别光散播你的“负能量”，怀疑一切。

甲：首先，恩格斯的《自然辩论法》就是一个“野路子”（非科班）的杰作。

其次，怀疑是进步的始点。她是人类进化的“正能量”。只有宗教才倡导盲崇！至于我能否解开这些谜团，请读我刚在美国出版的书《统一场论》。你们在书里会找到解开这些谜的答案。因为这些谜有一个共同的谜底。此书可以在亚马逊、谷歌网上订购。

2013年8月1日

第三篇：我国首次太空授课成功进行

我国首次太空授课成功进行

老师在距离学生300公里的太空中，课堂设在天宫一号，听课师生超过六千万人，今天，在这个世界上最高、最大的“课堂”，我国首次太空授课活动成功进行。神舟十号航天员聂海胜、张晓光、王亚平为全国中小学生演示基础物理实验，这是我国第一次尝试利用航天飞行开展科普教育。

此次太空授课的主讲“老师”是女航天员王亚平，她在“助教”聂海胜和“摄像师”张晓光的协助下，分别对太空中物体质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个太空物理实验进行演示和讲解，向全国学生展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，验证了失重环境下物体运动和液体表面张力的基础物理原理，并回答了学生们的提问。

此次太空授课的地面课堂设在中国人民大学附中，来自北京16所中小学的对航天知识有浓厚兴趣的335名学生代表一起观摩太空实验，并与航天员“老师”进行互动。他们包括少数民族学生、进城务工人员随迁子女和港澳台地区在京读书的中小学生。与此同时，全国各地共8万所中学的6000余万名师生收听、收看了太空授课活动直播。

最后，聂海胜、张晓光、王亚平三位航天员依次为全国学生送上寄语：“愿同学们刻苦学习，增长知识，为中国梦添彩！”“深邃太空，奥秘无穷，探索无止境，让我们共同努力！”“飞天梦永不失重，科学梦张力无限！”

“这次活动让我们看到我国的科技界和教育界共同为青少年的成长而努力。”地面主讲物理老师、人大附中物理教师宓奇告诉记者。

首次太空授课活动由中国载人航天办、教育部和中国科技协会共同主办。教育部部长袁贵仁、副部长刘利民出席活动。据悉，为了确保持续40分钟的太空授课顺利实施，航天员进行了精心准备和认真备课，载人航天工程各系统也为太空授课活动提供全面支持和通信保障。

第四篇：太空授课原理

解读神十航天员太空授课物理原理

姓名：钟宇 学号：20120511xxx 专业：物理学

2013年6月20日上午举行的太空授课活动中，我国第一位“太空教师”王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话与地面课堂师生进行互动交流。

这些美妙的实验反映了什么样的物理原理?天地物理特性的差别给航天飞行带来什么影响，在航天活动中有什么样的应用?清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读。

图表：天宫一号太空授课：太空质量测量

实验一：质量测量——牛顿第二定律

实验过程：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。画面显示，两个弹簧平衡在同一位置，无法测量出物体的质量差别。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，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：74公斤。王亚平解释说，质量测量仪通过弹簧产生力并测出力的加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出质量。

解读：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，因此在太空和地面都是成立的。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物体的质量体现为重量。物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡，因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量。而在绕地球高速运动的飞船里，地球引力被飞船的离心力所平衡，飞船内部不再有地球引力的影响，也就没有了重量的概念，因此弹簧秤就没有读数。

天宫一号里的“质量测量仪”直接运用了牛顿第二定律，利用作用力和物体加速度的关系确定物体的质量。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。

图表：天宫一号太空授课：太空单摆运动

实验二：单摆运动——太空失重

实验过程：T形支架上，细绳拴着一颗小钢球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平把小球拉升到一定高度后放手，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。

解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动。

失重是空间与地面环境最重要的差别之一。它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验，但也会妨碍航天员在舱内的操作，同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响。针对这个问题，航天医学专家研究出很多医学防护措施，航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能。

图表：天宫一号太空授课：太空陀螺运动

实验三：陀螺运动——角动量守恒

实验过程：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。

解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性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。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，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。

利用角动量守恒定律，我们可以实现卫星的定向控制。基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪，还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制。雪铁龙C6轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

图表：天宫一号太空授课：太空制作水膜

图表：天宫一号太空授课：太空制作水球

实验四五：制作水膜、水球——液体表面张力

实验过程：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，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼”。

解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用。受到内部分子的吸引，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，就是表面张力。

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。水膜实验中，表面张力使水膜像橡皮膜一样搭在金属环里，并且比地面上形成的水膜面积更大、存在时间更长。同样，由于没有重力影响，航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围，逐渐形成水球。

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。

第五篇：解读神十太空授课五个实验

解读神十太空授课五个实验

2013年6月20日上午10时11分，随着一声“同学们，你们好”的问候，在距离地面300公里的天宫一号，中国女航天员王亚平开始了迄今为止人类历史上第二次太空讲课。弯弯的柳叶眉、清澈的双眸、甜美的笑容，王亚平昨天的出镜让人眼前一亮，立刻“秒杀”亿万网友。在王亚平近乎“魔术”般手下，圆周运动的单摆、不变轴向的陀螺、晶莹剔透的水膜、红扑扑的水球，中国第一堂太空授课在趣味与惊奇中完美展现。

2007年08月14日，美国人芭芭拉·摩根在国际空间站进行了人类首次太空授课，她通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景。专家称，和芭芭拉进行的太空授课相比，中国航天员的这堂太空授课，不仅科技含量更高，难度也更高。摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活，而王亚平授课的内容是介绍和演示物理概念，难度高于美国。据太空授课教案组介绍，太空授课计划一年前就在筹备了，本想神舟九号的时候就进行，但神九升空时间较短而且主要任务是对接任务，所以太空授课计划最终在神十实现。神十太空授课创下了两个第一：中国载人航天工程史上第一次发自太空的授课，中国学生第一次通过直播画面观看来自太空的五个失重实验。

神十太空授课为何挑选这五个实验？主要是从经典、易懂、新颖、观赏性和差异性、学生们的知识储备和兴趣等几个方面去考虑的，在弹簧秤、陀螺、单摆、金刚圈这些教具的协助下，神奇的现象应接不暇。

实验一：打开“箱子”测质量

悬空打坐、大力神功，这两招专属武林高手们的“功夫”，经过三名航天员在太空的演绎，引来了同学们的阵阵喝彩。航天员表演之后给同学们提出了疑问：在地面上，人们一般用天平、台秤等测量物体受到的重力，从而计算物体的质量。那么，失重环境下该如何测质量呢？天宫一号上配备有质量测量仪，这个质量测量仪就是设置在天宫一号舱壁的一个支架形状的装置，看上去像飞船舱壁上的一个箱子。拉开“箱子”后，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。在给同学们解释了应用原理之后，王亚平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呢？

【解读】在地面上，弹簧秤提供的弹力跟重力是平衡的，不同质量的物体挂在弹簧秤上弹簧伸长不一样，即重量是不一样的。在太空，因为微重力环境，两个不同质量的物体在弹簧秤上，两个弹簧指标是平齐的。因为没有重量的概念，弹簧秤就没有读数。天宫一号里的“质量测量仪”，运用了牛顿第二定律，即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，这一定律在太空和地面都是成立的。据了解，这个原理在航天活动中比较常用。例如，航天器在运行中会耗损，质量会发生变化，就影响轨道控制的精确度。这时，可开启推力器，并同时测量航天器的加速度，从而准确掌握航天器的质量。

实验二：神奇单摆做圆周运动

物理课上常见的实验装置单摆受力后，是左右摇摆还是圆周运动？这个稍有物理常识的人都很容易回答的问题放在太空就变得超乎想象了。在第二个实验中，支架上细绳拴着一颗明黄色的小钢球，这就是物理课上常见的单摆。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，拴小球的细线呈弯曲状静止，将其拉高后，结果并没有发生变化。接下来，王亚平用手指沿切线方向轻推小球，小球就开始绕着支架的轴心做圆周运动，即使中心轴的角度发生改变，小球也仍然做同样的运动。而同样的动作在地面对比试验中，就需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转。

【解读】小球单摆是一个经典的运动模型。在地面上小球单摆具有等时性，比如摆钟。在太空中由于小球失重，只剩下一个绳子的拉力，理论上说，单摆上的小球无论放在哪个位置都不会动，小球会飘浮在空中。但在实验中，小球提高到一个位置时，发生了晃动。即在太空中，如果给了小球一点初速度，小球就能在绳子的牵引下做圆周运动，如果摩擦小，这种圆周运动是匀速的。据了解，太空中的一个小动作，甚至呼吸，天宫一号设备的运转都可能造成小球运动。

实验三：陀螺轴向不变向前飞

为了证实高速旋转的陀螺在太空失重条件下的定轴特性，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，轴向也发生了改变，期间，聂海胜也对陀螺进行了干扰。紧接着，王亚平取出一个一模一样的陀螺，通过道具让它旋转起来并悬浮在半空中，这时候再用手轻轻一推，旋转的陀螺只是轻晃一下，并不翻滚，而只是保持着固定的轴向，向前飞去。

【解读】旋转的陀螺体现出很好的定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理，即在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。据了解，现实生活中有很多体现，比如子弹从枪膛里出来时高速旋转，这样保持稳定性和准确性。不论在太空还是在地球，都遵守角动量守恒原理。在地面上，陀螺需要支撑物实现转动，而陀螺与支撑物之间的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的方向，最终停下。在太空中，给静止的陀螺一个初速度，就会向前翻转。给正在转动的陀螺一个初速度，轴向几乎不变。据了解，利用角动量守恒定律，可以实现卫星的定向控制。而有些轿车上，就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制。

实验四：“水膜”内嵌入中国结

在水膜实验中，王亚平拿起一个饮用水袋，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。但是甩出的水珠必须用吸水纸迅速收集起来，避免乱飞影响设备安全。接着，她把一个金属圈插入装满饮用水的袋中，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了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。

【解读】在地面上，只有经过处理的肥皂水等才能表现比较强的张力特性。因为地面上的液体表面张力无法抗衡地球引力的作用。液体的表面张力，使得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，是促使液体表面收缩的绷紧的力。在太空中，表面张力使水膜似橡皮膜圈在金属环里，并且比地面上形成的水膜更大、存在时间更长。据了解，液体表面张力在航天活动中有重要应用。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。

实验五：普通水变身“魔法水球”

为了进一步证实液体在太空的表面张力，王亚平用金属圈重新做了一个水膜，然后用饮水袋慢慢向水膜上注水，不一会儿，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球，水球中还有一串小气泡。聂海胜取出一支注射器，抽出水球中的小气泡。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，透明的水球就变成了粉红色。

【解读】航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围逐渐形成水球。太空中去除了重力对物体形态的制约之外，由于分子间的相互作用，液体表面张力很明显，液体的表面积会缩到最小，也就变成了水球。在地面上由于有密度差，如果注入红色液体，扩散会有一个总体的趋势，就像鸡尾酒里的层次分明。但在太空中没有密度差，扩散就

比较均匀。