王亞平《天空課堂》在物理教學(xué)中的應(yīng)用

陳紅明

【摘 要】神舟十號(hào)航天員王亞平在《天空課堂》共做五個(gè)實(shí)驗(yàn)都與中學(xué)物理知識(shí)密切相關(guān)，這節(jié)課對(duì)物理教學(xué)也有很多的啟迪和幫助，為提高學(xué)生對(duì)航天科技的興趣，和搞好物理學(xué)習(xí)，對(duì)五個(gè)實(shí)驗(yàn)作了有效的分析，便于學(xué)生理解個(gè)中緣由。

【關(guān)鍵詞】天宮課堂;中學(xué)物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2013年6月20日，神舟十號(hào)航天員王亞平在天宮一號(hào)內(nèi)舉行太空授課，這激發(fā)了眾多中小學(xué)生對(duì)航空航天的興趣。王亞平在《天空課堂》共做五個(gè)實(shí)驗(yàn)：在太空中如何測量物體質(zhì)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺運(yùn)動(dòng)、水膜實(shí)驗(yàn)、水球?qū)嶒?yàn)。一個(gè)副產(chǎn)品——聶海勝“懸空打坐”與王亞平“大力神功”。這些實(shí)驗(yàn)都與中學(xué)物理知識(shí)密不可分。這節(jié)課對(duì)中國無數(shù)的青少年產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，大大激發(fā)同學(xué)們對(duì)美妙太空的向往，對(duì)科學(xué)探索的熱情。我自己看了5遍，其中對(duì)某些片段更是多次回放，所任教班級(jí)集體完整觀看一遍。從學(xué)生的眼神中，讀出什么是神奇、什么是美妙、什么是渴求。這節(jié)課對(duì)物理教學(xué)也有很多的啟迪和幫助，根據(jù)課堂實(shí)況，做出文字解讀，以饗讀者。

實(shí)驗(yàn)一：在太空中測物體質(zhì)量

王亞平在天宮一號(hào)里，測質(zhì)量的原理是牛頓第二定律，借助先進(jìn)的測量儀器，容易測出拉力F和加速度a，計(jì)算出指令長聶海勝的質(zhì)量74.0kg。中國航天員科研訓(xùn)練中心主任鄧一兵在國新辦天宮一號(hào)與神舟十號(hào)載人飛行任務(wù)舉行的新聞發(fā)布會(huì)上表示，聶海勝參加神十任務(wù)發(fā)射出征的當(dāng)天進(jìn)行了體檢，體檢是空腹凈重72公斤。鄧一兵表示，在太空授課的過程中，聶海勝用質(zhì)測儀測量質(zhì)量的時(shí)候，他當(dāng)時(shí)穿著艙內(nèi)的工作服、內(nèi)衣、艙內(nèi)工作襪，還有艙內(nèi)用鞋，這些質(zhì)量統(tǒng)計(jì)起來大約是1.89公斤。所以綜合上面這些信息，太空授課時(shí)測量出的聶海勝的質(zhì)量和他的實(shí)際體重是基本相符的（來自百度百科聶海勝詞條）。直接驗(yàn)證物體質(zhì)量不隨地理位置的改變而改變的結(jié)論，這是在地球上難以完成的。

另外，用彈簧振子測質(zhì)量，其測量原理是振動(dòng)周期T=2π■。

在天空一號(hào)里，老師不能用天平、杠桿測質(zhì)量，因?yàn)槭е?，物體對(duì)杠桿沒有壓力，不能應(yīng)用杠桿原理計(jì)算。因?yàn)槭е兀矬w對(duì)彈簧沒有拉力，彈簧測力計(jì)測不出物體重力，也不能間接測質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)二：單擺在失重時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

王亞平松開單擺小球后，單擺不往復(fù)擺動(dòng)，而是漂浮在空中，擺線自由彎曲，不產(chǎn)生拉力。輕推小球，給一個(gè)很小的速度，小球可在任一平面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。跟地球上單擺的特性完全不一樣。

實(shí)驗(yàn)三：高速旋轉(zhuǎn)陀螺的定軸性

高速旋轉(zhuǎn)的陀螺定軸性在地面和太空是一樣的。利用陀螺定軸性原理設(shè)計(jì)儀器，用于航天器姿態(tài)和軌道測量。王亞平演示了在失重狀態(tài)下，給不旋轉(zhuǎn)的陀螺頂端施加力，陀螺翻滾著向前運(yùn)動(dòng)，軸向任意改變。使陀螺旋轉(zhuǎn)起來，給它的頂端施加力，陀螺沒有翻滾，而是晃動(dòng)著向前運(yùn)動(dòng)，軸向不發(fā)生改變。這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在地面很難做到。在打老蔣的游戲里，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的“老蔣”，能直立旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速降低后，很快就倒下來了。

實(shí)驗(yàn)四和五：水膜、水球?qū)嶒?yàn)

把鋼圈伸入水袋的過程中，因?yàn)槭е兀疀]有流出來，在太空中生活的李白，寫不出飛流直下三千尺的詩句。形成水膜后，左右擺動(dòng)，甩出一大滴水，水膜沒有破裂，往上貼中國結(jié)，水膜沒有破裂，往水膜上加水，做成水球，也沒有破裂。皆因?yàn)槭е?，水膜既可做得厚些，也可做得薄些，充分展示分子間的相互作用的引力的存在。

透過水球看到王亞平的倒立縮小的實(shí)像，是凸透鏡成像原理;往水球里注入氣泡，氣泡都能獨(dú)立存在;緩慢往水球里注入紅顏色液體，整個(gè)球都變成紅色，因?yàn)槭е丶t顏色液體不能流動(dòng)，只能是分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

最后一個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生提問涉及：1.資源回收利用。2.太空垃圾。3.失重環(huán)境對(duì)身體的不利影響。4.在天宮一號(hào)看地球、看太空看到的是什么樣？王亞平和聶海勝都一一做了回答。

關(guān)于失重對(duì)身體的影響，聶海勝的回答是，在太空由于失重、噪聲、狹小密閉空間環(huán)境，對(duì)人體造成心血管失調(diào)、骨丟失、肌肉萎縮等影響，為了有效對(duì)抗失重的不利影響，我們采用體育鍛煉、藥物、體液重新分布等方法進(jìn)行防護(hù)。

關(guān)于在天宮一號(hào)看地球、看太空看到的是什么樣？王亞平的回答是，透過舷窗可以看到美麗的地球，還有日月星辰，暫時(shí)沒有看到UFO。我們處于大氣層之外，沒有了大氣的阻擋，看到星星格外明亮，不閃爍，沒有大氣對(duì)光的散射，太空是深邃的黑色。每天可以看到16次日出，因?yàn)?0分鐘繞地球一圈。

從畫面看，學(xué)生提問后，王亞平開口講話有延遲現(xiàn)象，根據(jù)天宮一號(hào)離地球約300km，可以估算出延遲時(shí)間為0.01s。

最后，來回顧聶海勝“懸空打坐”與王亞平“大力神功”。這一實(shí)驗(yàn)，為牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律做了最好的演示。不受力的作用時(shí)，要么保持靜止?fàn)顟B(tài)，如“懸空打坐”，要么保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如被王亞平輕推后的聶海勝，一直勻速運(yùn)動(dòng)下去。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡楊.把課堂搬到太空[J].太空探索.2013年第6期

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（作者單位：江蘇省泰州塘灣實(shí)驗(yàn)學(xué)校）