天宫课堂

段俐 马星桥 选自《科学世界》2013年第8期

2013年6月20日上午10时,浩瀚太空中,我国女航天员王亚平在距离地面约300公里的天官一号上为青少年进行了一次太空授课,这使她成为中国首位“太空教师”。这是全球第二次太空授课,第一次是2007年,美国女航天员芭芭拉•摩根(Barbara Morgan)在国际空间站上通过视频给地面上的学生们上了25分钟课,主要是展示航天员在太空怎样运动、如何喝水等情景。而此次王亚平的太空授课,着重通过实验演示了失重环境下的一些物理现象。地面课堂设在人大附中,来自北京16所学校的335名学生参加了太空授课,中央电视台全程直播了太空授课并进行了天地互动问答,全国8万余所中学的6000余万名师生同步收听收看了太空授课。

图 1 天宫一号太空课堂
图 1 天宫一号太空课堂

王亚平在此次讲课中主要演示了五个实验,聚焦于失重环境下物体运动的两种特性:质量测量、单摆运动及陀螺实验,展示失重环境中物体运动的特点;水膜和水球实验,展示失重条件下液体表面张力的作用。这些实验看起来简单,但背后蕴藏着丰富的物理内涵。让我们来逐一解读本次太空授课中的物理实验。

失重是太空中最独特的现象。授课一开始,王亚平就请本次飞行的指令长聂海胜表演了一段其受到的引力(即重力)的现象。举个例子来说,在一个重力加速度为g的地方,若有一个电梯以加速度a下降,则在电梯内测到质量为m的物体的表观重力为m(g-a),小于其重力mg,表现为失重。若电梯以重力加速度g下落,则内部的重物与其一道做自由落体运动,在电梯中看物体则处于漂浮状态,表观重力等于零,称为完全失重。在轨道上运行的航天器中,由于物体与航天器一同绕地球运动,具有相同或相近的运动状态,因此它们具有非常接近的向心加速度,和电梯的情况类似,其内部的物体处于完全失重或非常接近于完全失重(其表观重力小于0.001g,被称为微重力)的环境中。在微重力环境中,由于几乎感受不到重力了,这一环境要素的改变导致了我们在地面上习以为常的物理现象发生了巨大的变化,使得一些在地面常重力环境中被重力所掩盖了的次要因素或次级效应彰显出来。科学家通过微重力科学实验,观测不同于地面常重力环境中的独特物理现象,揭示其内在机理,因此促成了一门新的学科“微重力科学”的发展。本次太空授课所做的就是几个展示在微重力条件下物体行为的很有意思的实验。

质量测量

学过中学物理我们就知道,尽管物体所受重力在太空中发生了变化,但物体的质量是守恒的。在地面上,人们一般用天平、台秤、托盘秤、杆秤、弹簧秤等测量物体受到的重力,从而计算物体的质量。在太空中,王亚平将两个质量不同的物体分别挂在相同的弹簧秤上,由于失重,两个弹簧均不伸长。可见,在地面重力环境中我们常用的测量质量的方法在太空微重力环境中已经不再适用。那么如何在微重力环境中测量质量呢?

航天员老师演示了天官一号上的质量测量仪。他们从天官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。

图2 太空体重计
图2 太空体重计

天宫中的质量测量仪,应用的物理学原理是牛顿第二定律:F(力)=m(质量)×a(加速度)。质量测量仪上的弹簧装置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末速度v和时间t,计算出加速度[\(a = \frac{{v - {v_0}}}{t}\),这里v0=0],就能够计算出物体的质量(\(m = \frac{F}{a}\))。

图 3 太空质量测量
图 3 太空质量测量

王亚平随后拿出的弹簧振子教学道具,是通过测量振子不同的振动频率来测量出振子的质量的。若在一个光滑的水平桌面上,放一个质量为m的物体,用一个水平弹簧与其相连,弹簧的另一端固走。物体可静止于使弹簧保持其自然长度的位置,称为平衡位置。当弹簧被拉离平衡位置之后,形变将使其产生一个水平弹性恢复力,其方向指向平衡位置。这里重力与桌面的支撑力相抵消,不影响其水平运动。在弹性恢复力的作用下,物体会围绕着平衡位置振动,其振动频率为\(f = \frac{1}{{2\pi }}\sqrt {\frac{k}{m}} \),这里k为弹簧的弹性恢复系数。若测量出弹性恢复系数及振动频率,则可从上式中解出质量m的值。可以证明,当将弹簧竖直,挂上一个质量为m的物体时,弹簧将被拉长,并可静止于一个平衡位置。当弹簧被拉离这个平衡位置并释放时,它将围绕平衡位置上下振动,其振动频率与水平振子的公式相同。在微重力条件下,振子振动频率的计算公式仍然不变。因此,我们可以从振动频率和弹性恢复系数计算得到物体的质量。

单摆运动

为了让同学们更好地理解物理知识,此次太空授课的主讲王亚平还为大家演示了太空中的“单摆运动”。我们都很熟悉,在地面上,在重力作用下,铅直位置是单摆的平衡位置。当偏离平衡位置时,重力和沿绳拉力的合力构成回复力,该力指向平衡位置,会使单摆在铅直线左右做来回往复的摆动。

图 4 单摆实验
图 4 单摆实验

太空中的单摆也能这样摆动吗?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型支架的轴心做起了圆周运动——而在地面对比试验中,需要施加足够大的力,给小球一个较大的初速度,才能使它绕轴旋转。为什么与地面的单摆运动不同,小球在失重状态下,只需要一个轻轻的推动力,就开始做圆周运动?这是因为,在地面,重力与绳子拉力的合力使小球做单摆运动,但在空间微重力环境中,当小球具有速度时,只有拉力作为向心力,所以它在摆线的束缚下只能做圆周运动了。

图 5 太空单摆运动
图 5 太空单摆运动

陀螺实验

王亚平又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,王亚平让陀螺旋转起来,悬浮在半空中,再用手轻轻一推,旋转的陀螺不再翻滚,而是保持转轴在空间的取向不变,向前飞去。

图 6 王亚平演示陀螺的定轴性
图 6 王亚平演示陀螺的定轴性

高速旋转的陀螺为什么不会翻跟头?实际上,高速旋转的陀螺具有沿轴的角动量,物理学原理告诉我们,当物体不受外力矩时,其角动量保持不变,被称为角动量守恒。在太空失重环境下,这一特性更加直观地呈现出来。高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛。在地面行驶的车辆等,常常使用利用地球磁场的指南针指示方向。而在宇宙航行中,则可利用陀螺转轴指向不变的特性确定方向。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 7 太空陀螺运动
图 7 太空陀螺运动

水膜实验

阳光下五彩缤纷的肥皂泡,总是带给人们美好的童年记忆。能够形成肥皂泡,是液体的表面张力在发挥着神奇作用。在地球重力场中,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较强的表面张力特性。但是,在太空失重环境下,液体的表面张力特性突显出来,航天员的饮用水就可以形成漂亮的水膜。王亚平拿起一个航天员饮水袋,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,抖动水袋,水珠便悬浮在半空中。在微重力环境中,就不会有李白的“飞流直下三千尺,疑是银河落九天”的千古名句了。接着,王亚平把一个金属圈插入饮水袋中,再慢慢抽出,金属圈上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。这个实验表明,水的表面张力是很强的。

图 8 水膜上的中国结
图 8 水膜上的中国结
图 9 太空制作水膜
图 9 太空制作水膜

水球实验

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,水膜就变成了一个亮晶晶的大水球。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。这些现象充分表明了流体表面张力的巨大作用,在微重力环境,它已经成为控制流体运动行为的主导因素。

图 10 水球中的气泡

表面张力来源于液体分子之间的相互作用力。处于内部的液体分子,四周被其他的液体分子所包围,因此,它所受到的沿各个方向的作用力互相抵消。当液体与空气形成界面时,处于表面附近的液体分子受力具有不对称性,液体一侧的其他液体分子对它的吸引力要远大于另一侧气体分子对它的吸引力,因此,它将受到一个垂直于表面,指向液体内部方向的合力,结果导致液体表面具有自动缩小的趋势,这种收缩力称为表面张力,其方向沿液面的切线方向。液体更趋向于具有更水的表面积。我们知道,在体积一定的条件下,球形的表面积最小,所以在没有重力的环境中,液体趋向于形成球形。这就是为什么小液滴及大水球在微重力条件下取球形的原因。在地球表面,由于重力的作用远远大于表面张力,所以,当水较多时,水的表面更趋向于取水平面,以降低体系的重力势能,从而不能形成球形。

图 11 太空制作水球
图 11 太空制作水球

微重力现象虽然早有研究,然而在人类航天活动之前不能称其为科学,它是自航天器飞天之后才逐渐发展成为一门学科的。微重力科学包括空间基础物理学、微重力流体物理、微重力燃烧学、空间材料科学以及空间生物技术等。微重力科学有很多重大基础物理问题,如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;爱因斯坦的广义相对论,需要太空环境验证。微重力领域还有很多重大应用科学问题,如与流动相关的太空材料制备、生物组织培养与制药、与航天技术相关的太空燃料存储与控制等。

俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基有句名言:“地球是人类的摇篮,然而人类不可能永远被束缚在摇篮里。”此次太空授课,将激发广大青少年了解未知科学领域的热情,对培养他们的科学兴趣和探索精神具有重要的意义,必将产生积极的影响。

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发布时间:2013/11/25 下午9:32:31  阅读次数:5712

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