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。”神舟十號飛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，奇妙的現象出現了，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，在太空失重環境下，這一特性更加直觀地呈現出來。

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。

本次太空授課最令學生感到震撼的是失重環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，奇特的現象發生了，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與靜態實驗，展示的是失重環境中的剛體動力學特性；水膜及水球實驗，展示的是失重環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。”康琦說。

事實上，在國外載人航天的發展歷程中，嘗試在微重力狀態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。

此次太空授課活動，由中國載人航天工程辦公室聯合教育部、中國科協共同主辦。其中，中國科協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，同時負責協助天地演練。

在經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》