“讲述太空授课背后的“科学张力””

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6月20日，在南开中学宇宙体验馆，学生们在拱形屏幕上观看了中国第一堂太空课 这天，神舟10号宇航员在天宫1号展开了基础物理实验，为青少年上了太空课，全国8万多所中学的6000万名教师和学生同时收看 游思行摄(新华社供图)本报记者朱广清周熙檀说:“面对浩瀚的宇宙，我们都是学生。 “神舟10号船出征前的女宇航员王亚平用意味深长的话，在人们耳边徘徊。 作为中国第一位“太空教师”，6月20日，她突然站上了最好的讲台 年9月，在天宫1号的目标机上升空之前，关于太空课程的想法开始酝酿。 之后，这个想法被多次讨论，在年“神九”发射前通过了 那年11月初，太空课程活动正式列入“神十”飞行大纲 之后，来自不同行业的宇航员、科学家、教育工作者广泛参与，设计实验复印件，准备教案，开发了教具 在“神十”船员出征之前，宇航员们参加的正式天地课训练连5次都没有参加 这是绝对没有的课程活动 其意义不仅在于王亚平所站讲台的高度和中国青少年由此获得的太空知识，而且中国在宇宙科学技术( 000901，股票吧)方面的独特探索也像这次的太空课程一样被称为“微重力”的太空 1“亚平老师”说明了牛顿的第二定律，是离地面300公里以上的天宫一号，6月20日上午，宇航员王亚平变身为“亚平老师”，进行了中国第一堂太空课。 10点11分，北京航天控制中心报告说与宇航员建立了双向通信链路 王亚平在“副教授”聂海胜、“摄影”张晓光的帮助下，慢慢地“飞”向天宫一号室内的照相机镜头走来。 镜头后面有设在人民代表大会上的地面课程 来自北京16所学校的335名学生以热烈的掌声欢迎他们的亚平老师 另外，全国8万多所中学6000万名教师和学生同期听取了太空的课程活动实况。 生活中如何测量质量？ 王亚平用提问的方法开始上课 地上课的同学们有人说用天平，有人说用电子秤，有人说用“曹冲称像” 但是，这些做法在没有太多空重量的环境下会“故障”，宇航员怎么测量体重呢？ 王亚平用天宫一号的质谱仪出现说。 他们从船舱的墙上打开支架形状的装置，聂海胜把自己固定在支架的一端。 王亚平打开台灯，放开手，台灯就在弹簧的作用下回到原来的位置。 装置上的led画面上显示数字。 74.0表示聂海生的实测质量为74kg。 王亚平向同学们解释说，天宫一号的质量测量仪应用了牛顿第二运动定律f (力) =m (质量)×a (加速度)。 质量测定器的弹簧可以产生一定的力f，另外，通过光栅速度装置测定托架复位的速度v和时间t，计算加速度( a=v/t )，可以计算物体的质量( m=f/a ) 示范质量测量后，王亚平又拿出物理学课上常见的实验装置单摆 王亚平在切线方向轻轻推小球出现奇怪的现象，小球开始绕t形托架轴心旋转，在实验中，需要对地面施加足够的力，给小球以很大的初速度，使其绕轴旋转。 原来，这也是因为太空没有重力，系统没有恢复力，得到初速度后，单摆不进行往返运动，只进行圆周运动 根据下一个陀螺试验，高速旋转的陀螺具有良好的定轴特性，在粗空重量减少环境下，该特征更直观地表现出来 王亚平表示，高速旋转陀螺的定轴特征在航天行业被广泛应用 为了正确测量航天器的飞行姿态，天宫1号的靶机配备了各种陀螺指示器 这次太空课上给学生带来最大冲击的是在没有重量的环境下的液体表面张力的演示 王亚平也激起了学生们的食欲，在“目睹奇迹的时候”更是备受期待 她把金属环插入装满饮用水的自封袋中，慢慢拉出金属环就形成了水膜 轻轻摇晃金属环水膜也不会破 王亚平利用水膜制作大水球，向水球内注入空气体，在水球内形成两个球形气泡 之后发生了奇怪的现象，两个气泡分别游走，没有融合 在提问环节，史家小学4年级的邱甜的提问，把现场带入了儿童兴趣的幻想。 “星星在发光吗？ 你能看到ufo吗？ ”“这真是个奇怪的问题 “王亚平微笑着，他们从没见过ufo。 因为航天器穿过大气层，没有光的散射，所以看到的星星很亮，但不闪烁。 “我们每天都能看到16号的第二天出来。 因为我们每90分钟绕地球一周。 “同学们听了亚平老师的解释，非常吃惊 时针指向10:50，王亚平说:“飞天梦永远不会失去重量。 科学梦的张力是无限的”，结束了第一堂太空课。 2中国科学院专家解读了实验原理“神十”宇航员王亚平在太空课上进行的五项科学实验，“瞄准”是微重力环境下物体运动的两个特征测量质量、单摆运动及陀螺的动态和静态实验，重量减少环境 水膜水球实验显示了液体在重量减少环境中的表面张力成为“主要因素”的特异特征 “太空课前夕，轨道科学实验论证的两位力学专家中国科学院力学研究所国家微重力实验室副主任、研究员康琦和研究员赵建福向《中国科学报》记者详细阐述了微重力科学研究的独特价值和对人类未来的意义。 “许多重要的基本物理问题必须在太空环境中验证 ”康琦解释说，例如，冷原子物理中的冷原子需要太空低温环境才能沉降。 科学界熟知的爱因斯坦广义相对论也需要在太空环境中进行验证 微重力科学与巨大的学科体系有关，这不可避免地会给公众带来理解上的混乱 但是，说到“微重力”的另一个称呼“无重力”，大家都不知道 “乘坐电梯时电梯加速下降的感觉是典型的重量减少体验。 “康琦解释说，如果电梯加速下降时用弹簧秤称体重，弹簧秤的读数就会大幅减少。 相反，电梯加速上升超重，弹簧秤的读数大幅增加 那么，在没有重量的环境下，液体会怎么变化？ 最标准的答案是阿基米德的浮力法则将无效 赵建福向记者解释浮力法则的最大前提是重力作用 重力使水中存在静压梯度，即水越深压力越大 重力减少后，静压梯度就不存在，容器内的流体压力趋于一致，浸渍的物体周围水压力为零时就没有浮力 “在地面环境中重力的作用是最重要的，表面张力的作用总是被隐藏着。 另一方面，在粗空微重力条件下，表面张力作为主要原因上升，显示出与地面完全不同的特异特征 ”如水膜实验所示，在粗空重量减少环境下，水的表面张力成为控制流体形态的主要作用力 表面张力是使水成为水膜，使水块成为球状 对公众来说，这次太空科学实验课确实是新的体验和罕见的科普经验，但其背后蕴藏的我国载人航天工程的特别意义，人们鲜为人知 例如，宇宙飞船在飞行中，设备和燃料与液体管理和热管理有关，特别是宇航员生存所需的氧气和水的供给，对液体形态的控制是不可或缺的 “宇航员在舱外活动时需要控制航天服内部的湿度，如果汗水产生的水蒸气过大航天服内部的湿度，则会影响航天员的体力和动作 因此，有必要将水蒸气凝结成液体排出，但由于气和液的界面在常重力和微重力的情况下有很大不同，因此有必要认真研究 ”康琦说 事实上，在海外载人航天的快速发展过程中，在微重力状态下进行科学研究始终是串通一气，同时也是重要的复印件之一 20世纪60年代，美苏开展了太空竞赛，微重力实验成为两国角力的焦点 之后，前苏联率先发射了第一颗人造卫星，早期开展了一系列微重力实验研究，但其研究成果大多是保密的 “美国早期的微重力实验是在天花板上悬挂实验装置，在下面放置沙坑和床垫，使实验装置自由落下，产生了0.几秒的重量减少时间。 赵建福介绍说，当初这些简陋的实验使科学家能够理解微重力条件下的流体运动和传热规律，为人类航天科学技术的迅速发展奠定了基础。 3节课将列入“神十”飞行大纲这次太空课程活动，由中国载人航天工程事务所联合教育部、中国科学协会共同主办 但是记者说，太空课程从只有想法到现实，是一些提案的结果 原来，在去年9月天宫1号目标飞行器成功上升空后，中国科学协会提倡先开展太空课程活动。 年6月“神九”发射前，中国科学协会再次提出，建议与载人航天工程的主管“一发而合”。 年11月初，太空课程活动进入了“神十”飞行大纲 之后，3家主办单位相关部门组成了员工协调小组，负责太空课程活动的准备 其中，中国科学协会参与整体方案的制定和实施，主要负责课程专家小组的组织、课程复印件的提交、教案脚本的编写、课件的准备等，协助天地演习 课程专家小组由航天行业专家和宇航员系统相关人员、教育专家和一线物理教师、科普专家组成 与太空课程方案相比，从去年年底到今年年初，专家小组进行了一系列论证 在年12月18日、27日的2次论证会上，专家小组提出的意见最终基本明确了这次太空课的刚性 中国工程院院士、教育部原副部长韦钰表示，太空课程的重点一定要以“核心概念”为中心，按照现在国际科学教育的最新理念进行。 “这一页只要求获得沿用至今的“知识点”，翻了过来。 “韦钰在上述会议上说，必须让授课对象深入学习一二十个“核心概念”，使这些概念成为本能。 也就是说，这次太空课的“核心概念”是微重力，教育法则应该是探究性的学习方法 中国载人航天工程总设计师周建平也在会议上强调了轨道教学中的科学探索精神，强调“轨道实验中的一系列科学原理应该成为青少年的终身认知”。 反复讨论，综合各方面专家意见后，课程专家小组约定如下:太空课程要与中小学生的常识和知识结构接轨。 科学实验涉及物理学概念时，例如不是用“测量重力”而是用“测量体重”，不是用“测量质量”而是用“测量质量”来表现……/。 提出了在进行“水膜”实验时，实验用具是否可以采用方形或其他形状的实验用具 对此，参与实验论的力学专家说“必须使用圆环”。 赵建福解释说，表面张力的大小与表面张力系数和表面弯曲的程度有关，尖锐夹角的实验器具由于流体表面张力的变化会刺破液膜，因此不应该使用尖角的东西。 4全国上完太空实验方案太空课后，王亚平将在天宫一号向世界上第一位太空教师、美国前宇航员芭芭拉·摩根发送电子邮件。 在邮件中，中国第一位叫王亚平的太空教师对前辈说:“和亿万中国学生一起分享了太空的魔法和美好的体验。” 随着中国载人航天工程三步目标第二阶段任务的实施，作为科普事业的第一社会力量，中国科学协会从2009年开始与中国载人航天工程事务所、中国航天科技集团共同面向青少年开展了“打开天宫梦”系列航天科普活动 这次太空课是系列科普活动的重要复印件 “在学术上，太空重量减少环境显示了地面常重力环境中稍微隐藏的次要因素或二次效果。 科学家据此可以观测到与地面不同的独特现象，明确其内在规律 》赵建福对这次太空课的意义有这样的评价。 太空授课专家小组组长邹乃庸在接受《中国科学报》记者采访时也表示，这次活动将带孩子们去另一个世界，丰富他们的想象力。 “我们的未来来自科学幻想 孩子们的幻想越丰富，人类社会的进步就越快 “北京十九中高一学生张雪飘是学校天文社的成员，一直喜欢探索世界 她知道自己成为了能在学校参加现场交流的15个学生之一，非常高兴 看到水膜注水形成的水球透明，她联想到电影《哈利波特》中的水晶球 在“神十”飞天之前，为期三个月的全国青少年宇宙科学技术知识大赛刚刚落下帷幕。 明年，中国科学协会将面向全国青少年广泛募集空间实验室的实验项目。 正如宇航员王亚平所说，“太空寄托着人类美好的憧憬，知识是通往太空的阶梯。 我们想和你一起为打开全世界的青少年朋友热爱科学、探索宇宙的梦想而一起努力 《中国科学报》(-06-21第一版要闻)