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特寫:一堂太空課與一個新世界

特寫:一堂太空課與一個新世界

2013-06-21 11:13:07

  老師在距離學生300公里的太空中,課堂人數超過6000萬人,這個世界上最大的課堂出現在人類航天時代的最開端。

  科幻作家劉慈欣說:“這堂課最偉大的地方不在于簡單展示了幾個知識點,而是像一支畫筆一樣,為孩子們描述了一個與地球重力世界不同的太空世界。”

  劉慈欣守在電視機前認真上完了這堂近一個小時的太空物理課。與此同時,他的女兒也在山西一所中學的課堂里,成為了爸爸的“同學”。

  五個實驗展示了足夠震撼的新世界

  “課堂展示了另一個世界,物理規律與地面一樣,但因為失去了重力,這個世界的運行方式與地面是完全不同的。它會很大地啟發和開闊孩子們的思想、視野。”劉慈欣認為,那是一個新世界,雖然在圖像上看來很狹窄,但完全不同于日常狀態。對學生們來說,這已經足夠震撼。

  37歲的上海延安初級中學物理教師解進和初二年級一個班的30多名學生一起觀看了直播。在直播過程中,解老師沒有插話講解,而是讓孩子們自己去體會。

  解老師說,這堂課包含的幾個實驗超過了數十個教學,“耳聽為虛、眼見為實”,普通教師很難在地球上創造相同環境。實驗的核心問題是比較地球和太空兩個環境下“有重力”和“無重力”的不同。

  第一個實驗其實是區別質量和重量。平時稱量體重,測得的重量并不是質量。而王亞平操作的儀器測得的是聶海勝撞向一個平面時的速度,儀器又記錄下了時間,因此儀器根據V=AT計算出了聶海勝的加速度,再根據已知的太空秤的彈簧回復力,根據F=MA,最終可以精確計算出聶海勝的質量。

  中國科技館的副研究員趙洋說,這個實驗利用了牛頓第二定律,而這個定律在太空中有很強的應用性。這位中國科學院科學技術史博士舉例說,美國有一次航天器對接時,需要對接力度恰到好處,這兩個航天器質量一致,又可以控制速度,力度得到了很好的控制。

  第二個單擺實驗,也與地心引力有關。解老師說,在地球上的課本教學中,教給孩子們的是,小球的機械能等于動能加勢能,小球在單擺運動時,動能和勢能可以相互轉換,但太空中就不一樣了,小球只受到了王亞平給出的初始動能,不能擺起,因為勢能不存在。同樣因為上下左右的概念不存在,小球呈現的圓周運動,其實是在太空中任何一個平面上的圓周運動。

  第三個陀螺實驗,是所有實驗中,受到重力影響最小的一個。高速旋轉的陀螺在太空受到外界其他力的干擾幾乎為零,因此在初始狀態下,陀螺可以始終指向指定的方向,起到導航作用。

  趙洋說,這里面包含了角動量守恒原理,實際應用已經有很多,例如很多通信衛星,為保證天線對準地面,就通過陀螺高速自轉達到穩定。

  最令趙洋驚喜的實驗是第四個水膜實驗。他說,他猜到了大部分實驗,而親眼看到水膜變水球的情景令他感到很奇妙。“就像是升維,從二維水膜逐漸變成了三維水球。”

  解老師認為,從表面看是水的張力問題,其實也是重力問題,太空不受重力影響,“水膜自然就HOLD住了!”解老師說。

  中國科學院理論物理學家李淼提到,水的受力主要是無數個水分子之間的引力,向水膜不斷注水,形成的是水球。由于張力,水的表面積有很多能量,在體積一定的情況下,會盡量使表面積最小,而球面的表面積最小。

  第五個是水球實驗。地球上,在不同的水的深度,物體受到的壓力不同,氣泡受到的壓力上小下大,因而自然向上。太空中的氣泡在水中受力是均勻的,除非有外力干擾,氣泡會安靜地呆在水球中。

  趙洋說,太空旅行時會用到液體燃料,了解氣泡在液體中的狀態,會非常有助于消除氣泡,保證燃料在管道中的順暢運行。

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