陳征

前言

2021年12月9日，天宮課堂新教室揭幕。航天員翟志剛、王亞平、葉光富在嶄新的中國空間站天和核心艙中，為全國青少年帶來了一堂生動的科學(xué)課。3位航天員在課上分工協(xié)作，展示了一系列日常生活中常見的物質(zhì)和現(xiàn)象在空間站微重力環(huán)境下，呈現(xiàn)出的與地面上完全不同的物理現(xiàn)象，并通過與地面課堂實(shí)驗(yàn)的對比，讓大家感受了一番“天地大不同”。為什么會有這樣的大不同？航天員老師沒有直接給出答案，而是通過一些提示啟發(fā)大家對現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)的觀察和思考。

這種授課方式設(shè)計(jì)，背后是今天中國的發(fā)展對提升青少年科學(xué)素質(zhì)的需要。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，我國在科學(xué)探索的路上已經(jīng)在很多領(lǐng)域從“追趕”達(dá)到了“并跑”甚至部分“領(lǐng)先”，而那些還在追趕的領(lǐng)域也因?yàn)榉N種原因，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供參考，我們必須在學(xué)會已知的基礎(chǔ)上掌握探索未知的能力。太空授課那些神奇現(xiàn)象的知識點(diǎn)是精彩的，但更重要的是通過授課激發(fā)青少年的好奇心，進(jìn)而引導(dǎo)青少年鍛煉注意觀察、主動思考的方式。通過內(nèi)容和形式的結(jié)合，為培育具有創(chuàng)新意識和能力的“具有未來科學(xué)家潛質(zhì)的青少年”奠定基礎(chǔ)，這才是太空授課最大的意義。

筆者十分榮幸有機(jī)會加入太空授課科普專家組，在前期準(zhǔn)備過程中聆聽了大量專家組老師的意見和建議，在此對太空授課內(nèi)容進(jìn)行回顧，不是簡單的知識解讀，而是希望大家通過對現(xiàn)象和背后原理的進(jìn)一步了解，對科學(xué)有更深入的認(rèn)識，特別是對科學(xué)思想的理解。

太空授課的內(nèi)容選擇

許多人都關(guān)心這樣的問題：為什么要在太空做這些實(shí)驗(yàn)，太空授課內(nèi)容的選擇和設(shè)計(jì)是基于什么考慮的？以筆者在參與準(zhǔn)備過程中的體會和理解，大體上有如下3個基本原則。

·保證安全第一。載人航天最重要的是保障航天員的安全和空間站的正常運(yùn)行，決不能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)器材和內(nèi)容而帶來任何安全隱患。比如一些化學(xué)藥品，或是有較強(qiáng)磁性的東西就要盡可能避免。

·天地對比明顯。天地差異明顯的現(xiàn)象，因?yàn)椤耙饬现鈪s又道理之中”的反差，更容易引起觀看者的興趣，也更符合太空授課激發(fā)人們好奇心和學(xué)習(xí)科學(xué)興趣的目的。

·操作簡單方便。我們的空間站是全新啟航，航天員有許多任務(wù)需要完成，因此不給航天員增加不必要的額外負(fù)擔(dān)同樣是重要的考慮因素。在空間站微重力條件下，許多地面上看起來很容易的事情都變得不那么容易，比如一個杯子失去了重力的束縛，很難老老實(shí)實(shí)呆在桌面上等。

太空授課實(shí)驗(yàn)解析

在上述3個原則之下，能夠選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受到了巨大限制。不過在這樣苛刻的限制下，我們還是看到了一系列有趣的實(shí)驗(yàn)。下面我們就解讀這些實(shí)驗(yàn)背后的道理。

→陀螺與太空轉(zhuǎn)身

整堂課是從1個飛旋的陀螺開始的。這個陀螺在8年前天宮一號的太空授課中就曾出現(xiàn)過，它代表著一種傳承。雖然看起來像一個普普通通的玩具，然而卻引出了一個十分重要的物理問題：物體的運(yùn)動有兩種基本形式，一種是物體以平行移動的方式進(jìn)行的運(yùn)動，叫作平動;另一種則是物體繞著中心點(diǎn)或者轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動方式，叫作轉(zhuǎn)動。

平行移動時，物體上每個點(diǎn)在一定時間內(nèi)都沿相同的方向前進(jìn)相同的距離，于是我們就可以用單位時間前進(jìn)的距離——速度衡量物體平動的快慢。

轉(zhuǎn)動的時候，物體上不同位置單位時間前進(jìn)的距離并不相同，所以我們無法用速度衡量旋轉(zhuǎn)的快慢。但是旋轉(zhuǎn)物體上的每一個點(diǎn)相對于中心或者轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度卻是相同的，于是我們可以用單位時間物體上任意一個點(diǎn)繞中心或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度衡量物體旋轉(zhuǎn)的快慢，這就是角速度。

平動物體的運(yùn)動狀態(tài)可以用它的質(zhì)量與速度的乘積——動量表示。力是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因，如果物體不受外力或者合外力為零，那么物體的運(yùn)動狀態(tài)就不會發(fā)生變化，這就是動量守恒;而當(dāng)物體受到的合外力不為零時，那么力的大小就將影響動量的變化快慢。

與之類似，轉(zhuǎn)動物體的運(yùn)動狀態(tài)可以用轉(zhuǎn)動慣量和角速度的乘積

角動量表示。如果一個物體不受到外力矩，或者和外力矩為零，那么它的轉(zhuǎn)動狀態(tài)也不發(fā)生變化，此時的角動量也會守恒。同樣當(dāng)物體受到的合外力矩不為零時，力矩的大小將影響角動量變化快慢。

對陀螺而言，當(dāng)它高速旋轉(zhuǎn)起來后會擁有一個比較大的角動量，此時較小的外力矩給陀螺角動量的變化帶來的影響很小，表現(xiàn)出來就是轉(zhuǎn)軸會極其緩慢地改變方向，而不是立刻倒下，看起來就好像有種看不見的力量抵抗了陀螺旋轉(zhuǎn)方向的變化，人們常常把這種現(xiàn)象稱為陀螺的“定軸性” （就是旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)軸不太容易改變方向）。空間站上突出的幾個半球狀的罩子里就裝了幾個大陀螺，利用它們的高速旋轉(zhuǎn)，可以抵抗各種擾動給空間站帶來的力矩，從而讓空間站能夠保持一個比較穩(wěn)定的姿態(tài)。

太空轉(zhuǎn)身的實(shí)驗(yàn)同樣和角動量有關(guān)。當(dāng)航天員漂浮在空中幾乎沒有外力矩的作用時，就會處于角動量守恒狀態(tài)。地面上可以借助腳下摩擦力矩輕易完成的轉(zhuǎn)身動作，在太空中必須尋找其他的辦法解決。航天員葉光富用旋轉(zhuǎn)手臂的方式實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)身，這是因?yàn)樗氖直巯蛞粋€方向旋轉(zhuǎn)時，身體通過向相反的方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個反向的角動量保證總的角動量保持不變。

這并不是唯一的答案，如果你注意觀察過貓從空中落地的過程就會發(fā)現(xiàn)，貓會利用折疊身體，上下半身沿著互成一定角度的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而在保持角動量守恒的情況下完成轉(zhuǎn)身。這個動作有時也被稱為“貓旋”，筆者就曾從中總結(jié)了一套有趣的動作，可以在地面上的健身轉(zhuǎn)臺上完成轉(zhuǎn)身。

另一個旋轉(zhuǎn)快慢變化的實(shí)驗(yàn)同樣基于角動量守恒。如前所說，懸浮在空中的航天員幾乎不受到外力矩的作用，基本上處于角動量守恒狀態(tài)。角動量等于旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)動慣量的乘積，轉(zhuǎn)動慣量則由兩個因素決定，一是物體的質(zhì)量，二是物體質(zhì)量分布距離軸的遠(yuǎn)近。航天員在把手臂收起來的時候，質(zhì)量分布靠近中心，轉(zhuǎn)動慣量減小，于是他的旋轉(zhuǎn)速度就會加快;張開雙臂時，質(zhì)量分布遠(yuǎn)離中心，轉(zhuǎn)動慣量增大，旋轉(zhuǎn)速度就會變慢。在剛剛結(jié)束不久的冬奧會花樣滑冰項(xiàng)目中，我們也會看到類似的現(xiàn)象?；踊\(yùn)動員的冰刀與冰面力矩很小，角動量守恒下運(yùn)動員身體從舒展到收緊的過程中，旋轉(zhuǎn)的速度也會發(fā)生明顯的提高。65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398

這些實(shí)驗(yàn)都不需要特別復(fù)雜的裝置，大家在社區(qū)健身器材處常常能看到的扭腰轉(zhuǎn)盤上就可以嘗試驗(yàn)證，不過千萬注意不要摔倒受傷。

→水的浮力實(shí)驗(yàn)

流體（包括液體和氣體）中的浮力現(xiàn)象是與重力相伴而生的。正是因?yàn)橹亓Φ拇嬖?，?dǎo)致流體中處于“下方” （沿著重力方向）的部分要承載它正上方柱體內(nèi)流體的重力，因此越深的地方壓強(qiáng)就更大。當(dāng)一個物體放進(jìn)流體中時，因?yàn)槲矬w的下表面總是比上表面處于更深的位置，從下向上的壓力大干從上向下的，就表現(xiàn)出了浮力。當(dāng)處于微重力環(huán)境時，因?yàn)槊恳粓F(tuán)流體都不需要承載其他流體，于是流體中壓強(qiáng)處處相等，也就不再有深度和浮力的概念了。因此，當(dāng)航天員在空間站中把乒乓球放進(jìn)水杯，乒乓球就老老實(shí)實(shí)待在水里并不會浮出水面。在水球中打入一個氣泡，同樣老老實(shí)實(shí)呆在水里，并不會跑出來。

→水的表面張力實(shí)驗(yàn)

表面張力則是源于分子之間的吸引作用。處于液體內(nèi)的分子四面八方圍滿了其他液體分子，這些分子從四面八方推擠或是拉扯水分子，使得它基本處于受力平衡的狀態(tài)。但是在液體和氣體的分界面上，處于表面的液體分子分布相對于液體內(nèi)要稀疏一些，因此主要收到其他液體分子的吸引，而這些吸引集中在表面內(nèi)側(cè)，于是就表現(xiàn)出液體的表面有向內(nèi)收緊的力量，這就是所謂表面張力。液體水中分子之間是通過比較強(qiáng)的氫鍵結(jié)合起來的，因此表現(xiàn)出的表面張力比較大。在地面上的重力場中，很難形成一個鋪展的水膜。要想獲得液體薄膜（比如吹泡泡），通常都需要在水中加入降低表面張力的表面活性劑，比如洗滌靈之類的。但在空間站的微重力環(huán)境下，沒有了重力的影響，只要有一個框提供附著點(diǎn)，就能獲得一個漂亮的水膜。在水膜上放上一朵折疊的小紙花，小紙花便會在水的表面張力拉扯下緩緩綻放開來。

→水球透鏡實(shí)驗(yàn)

重力影響極小時，水在表面張力作用下形成近乎完美的球形，就可以像凸透鏡那樣成像。而在加入氣泡后，懸在水球中的氣泡又把水球分成了中心和周圍兩部分，中心部分變成2個凹透鏡的組合而成1個正立虛像，周圍部分仍是凸透鏡形成倒立實(shí)像，于是我們便可以在畫面中看到2個航天員王亞平的影像了。

新教室開課，科學(xué)夢啟航

整個太空授課過程中，航天員還帶領(lǐng)大家參觀了航天員的生活區(qū)，看到了王亞平休息區(qū)的家人照片、小布偶與舷窗外浩瀚宇宙構(gòu)成的溫馨場景;看到了太空廚房冰箱里的蘋果，可以加熱食物的加熱器、微波爐，以及各種太空食品;看到了太空中開展的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在微重力環(huán)境下活的心肌細(xì)胞因?yàn)樯镫娒}沖而產(chǎn)生的明暗閃爍，以及顯微鏡下心肌細(xì)胞的跳動;還看到了航天員在太空中走路、鍛煉的情境和他們的“企鵝服”。這些讓大家對空間站和航天員有了更多親近感，讓科學(xué)夢有了更豐富的色彩。

不久的將來，隨著中國空間站后續(xù)艙段的發(fā)射，這座天宮教室還會有更大的空間和更豐富的內(nèi)容。暢想一下，當(dāng)孩子們放飛科學(xué)夢想，未來他們的奇思妙想和科學(xué)探索就可能在中國空間站實(shí)現(xiàn)，甚至有可能成為航天員或是載荷科學(xué)家登上這座“天宮”，這是多么令人興奮的事情！65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398