本文格式为Word版，下载可任意编辑太空授课解析 2022年6月20日上午10时，我国神舟十号女航天员王亚平在距离地面约340km的中国最高“讲台〞——天宫一号为青少年举行了一次太空授课. 此时授课活动通过我国天链一号01、02、03等中继卫星共同构成的中国太空数据“中转站〞（如图1所示），与设在地面的北京人大附中、浙江上虞春晖中学和南昌阳明学校等三个地面课堂直播点的师生们开展双向互动交流，整个授课持续时间约为40分钟. 在此次短短四特别钟的时间内，另外两位航天员聂海胜、张晓光协同王亚平演示了质量的测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球的制作等五个基础物理试验. 同学们通过电视、网络等媒体的现场直播，亲眼目睹了物体在失重条件下所表现出来的特点，液体在失重条件下其表面张力所表现出来的巧妙现象，同时也感受到了科学的力气和魅力. [图1] 为了帮忙同学们更好地理解本次太空授课中五个物理试验的原理，本文结合中学物理知识，分别就试验的装置、现象、原理、拓展及应用等举行解析. 1.质量测量 回放 聂海胜盘起腿，玩起了“悬空打坐〞，王亚平用手指轻轻一推，聂海胜摇晃动晃向远处飘去. 这一幕在告诉我们，这里是天宫一号，处于失重环境条件下. 王亚平首先展示两支完全一样的弹簧，它们分别固定了两个不同质量的物体. 但两个弹簧平衡在同一位置，这说明在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的质量（注：确切的是在失重环境中无法用弹簧秤来测量出物体的重力）. 随后镜头转向天宫一号中用于测量质量的“质量测量仪〞. 聂海胜把自己固定在支架一端（如图2所示），王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架在弹簧的作用下回复原位. LED屏显示出聂海胜的质量：74kg. [图2] 原理 天宫中的“质量测量仪〞原理是牛顿其次定律：物体受到的力等于它的质量与加速度的乘积，即[F=ma]. 试验中设计了用传感器获得物体运动到某位置的加速度和该位置弹簧上的弹力大小，通过DIS系统由牛顿其次定律就可以算出身体的质量，并将结果在LED屏显示出来. 这个试验生动地说明白牛顿其次定律的根本原理：物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比. 这是一个在一切惯性空间内普遍适用的根本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，这一定律在太空和地面都是成立的. 应用 这个原理在航天活动中有着广泛的应用. 例如，航天器的燃料消耗一段时间后，总质量会发生变化，可能影响轨道操纵的准确度. 这时就可以开启推力器并同时测量航天器的加速度，从而计算出航天器的质量. 拓展 天宫一号在绕地球做圆周运动，其内物体所受到的地球的万有引力（即此处物体的重力）用于物体随天宫一号绕地球圆周运动所需的向心力，虽然此时物体的重力并不为零，但物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力均为零，因此物体处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 如在此环境下不能用天平测物理质量，不能用水银气压计测飞船内气体压强，溶液不会分层等. 例1 从事太空研究的宇航员需长时间在太空的微重力条件下工作、生活，这对适应了地球表面生活的人，将产生好多不良影响，例如简单患骨质疏松等疾病. 因此宇航员在天宫一号内应积极举行体育锻炼. 以下器材适合宇航员锻炼的器材是（ ） A.哑铃 B.弹簧拉力器 C.单杠 D.跑步机 解析 由于天宫一号在绕地球做圆周运动，处于完全失重状态，这时与重力有关的一些物理现象均会消失. 此题正确选项为B. 2. 单摆运动 回放 在T形支架上用细绳拴着一颗小钢球. 这是单摆试验装置. 王亚平把小球拉升到一定高度后轻轻放手，小球并没有像在地面那样往复摇摆，而是悬停在了半空中. 王亚平用手指轻推小球，小球开头围着T形支架的轴心做圆周运动. 原理 这是太空中的失重现象导致的. 在地面上，一旦松手，在重力的作用下，小球会被细绳牵着来回摇摆. 但在太空中与重力有关的现象会消失，小球只会在原地悬浮. 如图3所示，设小球质量为[m]，细线长即小球圆周运动的半径为[R]. 在地面上，小球在圆的最高点受重力[mg]与细线拉力[T]，小球速度大小为[v]，有[mg+T=mv2R]，且[T≥0]，则[v≥Rg.] [图3] 在圆的最低点给小球的初速大小为[v0]，由机械能守恒定律，有[12mv2+mg2R=12mv20]，可得[v0≥5Rg]，即在最低点需要给小球足够大的初速度，才能使小球战胜地球重力的影响，实现在竖直平面内的圆周运动. 但在太空中的失重环境下，只需轻轻推小球一下，即给小球一个大小不等于零的初速度，小球就会在细绳的拉力提供向心力的条件下在竖直平面内做圆周运动. 应用 在地面上能正常使用的摆钟，其原理利用了单摆的等时性. 但在太空失重的环境下摆钟不能像单摆一样地正常来回摇摆，因此在太空中不能使用摆钟计时. 拓展 当运动的物体存在竖直向下的加速度，且加速度大小等于重力加速度大小[g]时，物体也处于完全失重状态. 例2 如图4所示，在一只木箱的顶板上用细线悬挂一个摆球，当木箱静止时摆球做单摆运动. 在摆球做单摆运动的同时突然将木箱向右上方斜抛出去，不考虑空气阻力，则以下说法可能的是（ ） 图4 A.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱仍是单摆运动 B.在木箱向上运动的过程中，摆球相对木箱是静止的 C.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱做匀速圆周运动 D.在木箱向下运动的过程中，摆球相对木箱是静止的 解析 不考虑空气阻力时，木箱做斜抛运动，无论木箱是向上运动还是向下运动，都存在竖直向下的加速度[g]，木箱及内物体均处于完全失重状态. 当摆球摆到最高点时（此时摆球速度为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱是静止的，选项B、D正确；当摆球不是在最高点时（此时摆球速度不为零）让木箱做斜抛运动，则摆球相对木箱做匀速圆周运动，选项C正确；故此题正确选项为B、C、D. — 5 —。