新教室开课 天地大不同

陈征

前言

2021年12月9日，天宫课堂新教室揭幕。航天员翟志刚、王亚平、叶光富在崭新的中国空间站天和核心舱中，为全国青少年带来了一堂生动的科学课。3位航天员在课上分工协作，展示了一系列日常生活中常见的物质和现象在空间站微重力环境下，呈现出的与地面上完全不同的物理现象，并通过与地面课堂实验的对比，让大家感受了一番“天地大不同”。为什么会有这样的大不同？航天员老师没有直接给出答案，而是通过一些提示启发大家对现象进行仔细的观察和思考。

这种授课方式设计，背后是今天中国的发展对提升青少年科学素质的需要。经过几十年的快速发展，我国在科学探索的路上已经在很多领域从“追赶”达到了“并跑”甚至部分“领先”，而那些还在追赶的领域也因为种种原因，没有现成的经验可供参考，我们必须在学会已知的基础上掌握探索未知的能力。太空授课那些神奇现象的知识点是精彩的，但更重要的是通过授课激发青少年的好奇心，进而引导青少年锻炼注意观察、主动思考的方式。通过内容和形式的结合，为培育具有创新意识和能力的“具有未来科学家潜质的青少年”奠定基础，这才是太空授课最大的意义。

笔者十分荣幸有机会加入太空授课科普专家组，在前期准备过程中聆听了大量专家组老师的意见和建议，在此对太空授课内容进行回顾，不是简单的知识解读，而是希望大家通过对现象和背后原理的进一步了解，对科学有更深入的认识，特别是对科学思想的理解。

太空授课的内容选择

许多人都关心这样的问题：为什么要在太空做这些实验，太空授课内容的选择和设计是基于什么考虑的？以笔者在参与准备过程中的体会和理解，大体上有如下3个基本原则。

·保证安全第一。载人航天最重要的是保障航天员的安全和空间站的正常运行，决不能因为实验器材和内容而带来任何安全隐患。比如一些化学药品，或是有较强磁性的东西就要尽可能避免。

·天地对比明显。天地差异明显的现象，因为“意料之外却又道理之中”的反差，更容易引起观看者的兴趣，也更符合太空授课激发人们好奇心和学习科学兴趣的目的。

·操作简单方便。我们的空间站是全新启航，航天员有许多任务需要完成，因此不给航天员增加不必要的额外负担同样是重要的考虑因素。在空间站微重力条件下，许多地面上看起来很容易的事情都变得不那么容易，比如一个杯子失去了重力的束缚，很难老老实实呆在桌面上等。

太空授课实验解析

在上述3个原则之下，能够选择的实验内容受到了巨大限制。不过在这样苛刻的限制下，我们还是看到了一系列有趣的实验。下面我们就解读这些实验背后的道理。

→陀螺与太空转身

整堂课是从1个飞旋的陀螺开始的。这个陀螺在8年前天宫一号的太空授课中就曾出现过，它代表着一种传承。虽然看起来像一个普普通通的玩具，然而却引出了一个十分重要的物理问题：物体的运动有两种基本形式，一种是物体以平行移动的方式进行的运动，叫作平动;另一种则是物体绕着中心点或者转轴发生旋转的运动方式，叫作转动。

平行移动时，物体上每个点在一定时间内都沿相同的方向前进相同的距离，于是我们就可以用单位时间前进的距离——速度衡量物体平动的快慢。

转动的时候，物体上不同位置单位时间前进的距离并不相同，所以我们无法用速度衡量旋转的快慢。但是旋转物体上的每一个点相对于中心或者转轴转过的角度却是相同的，于是我们可以用单位时间物体上任意一个点绕中心或转轴转过的角度衡量物体旋转的快慢，这就是角速度。

平动物体的运动状态可以用它的质量与速度的乘积——动量表示。力是物体运动状态改变的原因，如果物体不受外力或者合外力为零，那么物体的运动状态就不会发生变化，这就是动量守恒;而当物体受到的合外力不为零时，那么力的大小就将影响动量的变化快慢。

与之类似，转动物体的运动状态可以用转动惯量和角速度的乘积

角动量表示。如果一个物体不受到外力矩，或者和外力矩为零，那么它的转动状态也不发生变化，此时的角动量也会守恒。同样当物体受到的合外力矩不为零时，力矩的大小将影响角动量变化快慢。

对陀螺而言，当它高速旋转起来后会拥有一个比较大的角动量，此时较小的外力矩给陀螺角动量的变化带来的影响很小，表现出来就是转轴会极其缓慢地改变方向，而不是立刻倒下，看起来就好像有种看不见的力量抵抗了陀螺旋转方向的变化，人们常常把这种现象称为陀螺的“定轴性” （就是旋转的陀螺转轴不太容易改变方向）。空间站上突出的几个半球状的罩子里就装了几个大陀螺，利用它们的高速旋转，可以抵抗各种扰动给空间站带来的力矩，从而让空间站能够保持一个比较稳定的姿态。

太空转身的实验同样和角动量有关。当航天员漂浮在空中几乎没有外力矩的作用时，就会处于角动量守恒状态。地面上可以借助脚下摩擦力矩轻易完成的转身动作，在太空中必须寻找其他的办法解决。航天员叶光富用旋转手臂的方式实现了转身，这是因为他的手臂向一个方向旋转时，身体通过向相反的方向旋转产生一个反向的角动量保证总的角动量保持不变。

这并不是唯一的答案，如果你注意观察过猫从空中落地的过程就会发现，猫会利用折叠身体，上下半身沿着互成一定角度的转轴旋转，从而在保持角动量守恒的情况下完成转身。这个动作有时也被称为“猫旋”，笔者就曾从中总结了一套有趣的动作，可以在地面上的健身转台上完成转身。

另一个旋转快慢变化的实验同样基于角动量守恒。如前所说，悬浮在空中的航天员几乎不受到外力矩的作用，基本上处于角动量守恒状态。角动量等于旋转速度与转动惯量的乘积，转动惯量则由两个因素决定，一是物体的质量，二是物体质量分布距离轴的远近。航天员在把手臂收起来的时候，质量分布靠近中心，转动惯量减小，于是他的旋转速度就会加快;张开双臂时，质量分布遠离中心，转动惯量增大，旋转速度就会变慢。在刚刚结束不久的冬奥会花样滑冰项目中，我们也会看到类似的现象。花样滑冰运动员的冰刀与冰面力矩很小，角动量守恒下运动员身体从舒展到收紧的过程中，旋转的速度也会发生明显的提高。65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398

这些实验都不需要特别复杂的装置，大家在社区健身器材处常常能看到的扭腰转盘上就可以尝试验证，不过千万注意不要摔倒受伤。

→水的浮力实验

流体（包括液体和气体）中的浮力现象是与重力相伴而生的。正是因为重力的存在，导致流体中处于“下方” （沿着重力方向）的部分要承载它正上方柱体内流体的重力，因此越深的地方压强就更大。当一个物体放进流体中时，因为物体的下表面总是比上表面处于更深的位置，从下向上的压力大干从上向下的，就表现出了浮力。当处于微重力环境时，因为每一团流体都不需要承载其他流体，于是流体中压强处处相等，也就不再有深度和浮力的概念了。因此，当航天员在空间站中把乒乓球放进水杯，乒乓球就老老实实待在水里并不会浮出水面。在水球中打入一个气泡，同样老老实实呆在水里，并不会跑出来。

→水的表面张力实验

表面张力则是源于分子之间的吸引作用。处于液体内的分子四面八方围满了其他液体分子，这些分子从四面八方推挤或是拉扯水分子，使得它基本处于受力平衡的状态。但是在液体和气体的分界面上，处于表面的液体分子分布相对于液体内要稀疏一些，因此主要收到其他液体分子的吸引，而这些吸引集中在表面内侧，于是就表现出液体的表面有向内收紧的力量，这就是所谓表面张力。液体水中分子之间是通过比较强的氢键结合起来的，因此表现出的表面张力比较大。在地面上的重力场中，很难形成一个铺展的水膜。要想获得液体薄膜（比如吹泡泡），通常都需要在水中加入降低表面张力的表面活性剂，比如洗涤灵之类的。但在空间站的微重力环境下，没有了重力的影响，只要有一个框提供附着点，就能获得一个漂亮的水膜。在水膜上放上一朵折叠的小纸花，小纸花便会在水的表面张力拉扯下缓缓绽放开来。

→水球透镜实验

重力影響极小时，水在表面张力作用下形成近乎完美的球形，就可以像凸透镜那样成像。而在加入气泡后，悬在水球中的气泡又把水球分成了中心和周围两部分，中心部分变成2个凹透镜的组合而成1个正立虚像，周围部分仍是凸透镜形成倒立实像，于是我们便可以在画面中看到2个航天员王亚平的影像了。

新教室开课，科学梦启航

整个太空授课过程中，航天员还带领大家参观了航天员的生活区，看到了王亚平休息区的家人照片、小布偶与舷窗外浩瀚宇宙构成的温馨场景;看到了太空厨房冰箱里的苹果，可以加热食物的加热器、微波炉，以及各种太空食品;看到了太空中开展的科学实验，在微重力环境下活的心肌细胞因为生物电脉冲而产生的明暗闪烁，以及显微镜下心肌细胞的跳动;还看到了航天员在太空中走路、锻炼的情境和他们的“企鹅服”。这些让大家对空间站和航天员有了更多亲近感，让科学梦有了更丰富的色彩。

不久的将来，随着中国空间站后续舱段的发射，这座天宫教室还会有更大的空间和更丰富的内容。畅想一下，当孩子们放飞科学梦想，未来他们的奇思妙想和科学探索就可能在中国空间站实现，甚至有可能成为航天员或是载荷科学家登上这座“天宫”，这是多么令人兴奋的事情！65E71114-E2A4-42E9-96FB-4A0F5E09D398