太空授課背后的“科學張力”

朱廣清 周熙檀

“面對浩瀚的宇宙，我們都是學生?！鄙裰凼栵w船出征之前女航天員王亞平意味深長的話語，一直縈繞在人們的耳畔。作為中國首位“太空教師”，2013年6月20日，她赫然站在了最高的講臺上，進行了中國首次太空授課。

“生活中如何測量質量？”王亞平以提問的方式開始講課。地面課堂的同學們有的說用天平，有的說用電子秤，還有人提到用“曹沖稱象”的辦法。但是，這些方法在太空失重的環(huán)境下都將“失靈”，那么航天員如何測體重？

王亞平用天宮一號上的質量測量儀現(xiàn)身說法。他們從艙壁上打開一個支架形狀的裝置，聶海勝把自己固定在支架一端。王亞平拉開支架，一放手，支架便在彈簧的作用下回復原位。裝置上的LED屏上顯示出數(shù)字：74.0，這表示聶海勝的實測質量是74千克。

王亞平向同學們解釋，天宮一號中的質量測量儀，應用的物理學原理是牛頓第二運動定律：F（力）=m（質量）×a（加速度）。質量測量儀上的彈簧能夠產生一個恒定的力F，同時用光柵測速裝置測量出支架復位的速度v和時間t，計算出加速度（a=v/t），就能夠計算出物體的質量（m=F/a）。

演示完質量測量，王亞平又取出一個物理課上常見的實驗裝置——單擺。王亞平沿切線方向輕推小球，奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了，小球開始繞著懸掛點做圓周運動——而在地面對比試驗中，需要施加足夠的力，給小球一個較大的初速度，才能使它繞懸掛點旋轉。

原來，這也是因為在太空中重力消失，小球在獲得初速度后，單擺不會做往復運動而只做圓周運動。

接下來的陀螺試驗顯示，高速旋轉的陀螺具有很好的定軸特性，在太空失重環(huán)境下，這一特性更加直觀地呈現(xiàn)出來。

王亞平介紹說，高速旋轉陀螺的定軸特性在航天領域用途廣泛。在天宮一號目標飛行器上，就裝有各式各樣的陀螺定向儀，以精準地測量航天器的飛行姿態(tài)。

本次太空授課最令學生感到震撼的是失重環(huán)境下液體表面張力的演示。王亞平也吊足了學生們的胃口，用“見證奇跡的時刻”來引發(fā)更大期待。

她把一個金屬圈插入裝滿飲用水的自封袋中，慢慢抽出金屬圈，便形成了水膜。輕輕晃動金屬圈，水膜也不會破裂。然后王亞平利用水膜造了一個大水球，并向水球內注入空氣，在水球內形成兩個球形氣泡。隨后，奇特的現(xiàn)象發(fā)生了，兩個氣泡各自游移，并未融合。

“王亞平在太空授課中所做的5項科學實驗，‘瞄準的是微重力環(huán)境下物體運動的兩種特性——測質量、單擺運動以及陀螺的動態(tài)與靜態(tài)實驗，展示的是失重環(huán)境中的剛體動力學特性；水膜及水球實驗，展示的是失重環(huán)境中液體表面張力作為‘主導因素的奇異特征。”

在太空授課前夕，參與在軌科學實驗演示論證的兩位力學專家——中國科學院力學研究所國家微重力實驗室副主任、研究員康琦和研究員趙建福，向《中國科學報》記者詳細闡述了微重力科研的獨特價值及其對人類未來的意義。

微重力科學涉及一個龐大的學科體系，這難免會讓公眾產生理解上的困惑。然而，提起“微重力”的另一個稱謂——“失重”，大家則不會感到陌生了。對公眾而言，此次太空科學實驗授課無疑是一次新奇的體驗和難得的科普經(jīng)歷，然而其背后蘊藏的對于我國載人航天工程的特殊意義，人們則知之甚少。

比如，航天器在飛行過程中，設備和燃料都涉及液體管理和熱管理，特別是航天員生存所必需的氧氣和水的供應，都離不開對液體形貌的控制。

“航天員出艙活動時需要對航天服內部的濕度進行控制，如果出汗產生的水蒸氣導致航天服內部濕度過大，就會影響到宇航員的體能與動作。因此，這就須將水蒸氣冷凝變成液體排掉，而氣與液之間的界面在常重力與微重力情況下會有很大差異，需要我們認真研究?！笨电f。

事實上，在國外載人航天的發(fā)展歷程中，嘗試在微重力狀態(tài)下進行科學研究一直貫穿始終，并且是重要內容之一。20世紀60年代，美蘇展開太空競賽，微重力實驗成為兩國角力的焦點，但這些研究成果大多處于保密狀態(tài)。

此次太空授課活動，由中國載人航天工程辦公室聯(lián)合教育部、中國科協(xié)共同主辦。其中，中國科協(xié)在參與總體方案制定與實施的同時，主要負責組織授課專家組、提出授課內容、編寫教案腳本、準備課件等，同時負責協(xié)助天地演練。

在經(jīng)過反復討論并綜合了各方面專家的意見后，授課專家組約定：太空授課要同中小學生常識與知識結構接軌，凡演示科學實驗涉及物理學概念時，必須使用通俗語言表述，比如用“失重”而不用“微重力”講解，使用“測體重”而不用“測質量”的說法……

就在“神十”飛天之前，歷時3個月的全國青少年航天科技知識競賽活動剛剛落幕。明年，中國科協(xié)還將面向全國青少年廣泛征集空間實驗室的實驗項目。

摘自《中國科學報》