王亚平太空授课内容 篇一：太空授课原理 解读神十航天员太空授课物理原理 姓名：钟宇 学号：20120511xxx 专业：物理学 2013年6月20日上午举行的太空授课活动中，我国第一位“太空教师”王亚平通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球等5个物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象，并通过视频通话与地面课堂师生进行互动交流 这些美妙的实验反映了什么样的物理原理?天地物理特性的差别给航天飞行带来什么影响，在航天活动中有什么样的应用?清华大学航天学院副教授王兆魁对这些问题进行了解读 图表：天宫一号太空授课：太空质量测量 实验一：质量测量——牛顿第二定律 实验过程：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画面显示，两个弹簧平衡在同一位置，无法测量出物体的质量差别随后，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，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：74公斤王亚平解释说，质量测量仪通过弹簧产生力并测出力的加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出质量 解读：这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理——“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基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，因此在太空和地面都是成立的 在地球表面，由于受到地球引力的作用，物体的质量体现为重量物体悬挂在弹簧秤上时，弹簧的拉力和物体受到的地球引力达到平衡，因此可以从弹簧秤的读数中得到物体的重量而在绕地球高速运动的飞船里，地球引力被飞船的离心力所平衡，飞船内部不再有地球引力的影响，也就没有了重量的概念，因此弹簧秤就没有读数 天宫一号里的“质量测量仪”直接运用了牛顿第二定律，利用作用力和物体加速度的关系确定物体的质量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，可能影响轨道控制的精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 图表：天宫一号太空授课：太空单摆运动 实验二：单摆运动——太空失重 实验过程：T形支架上，细绳拴着一颗小钢球这是物理课上常见的实验装置——单摆王亚平把小球拉升到一定高度后放手，小球并没有像在地面那样往复摆动，而是悬停在了半空中王亚平用手指轻推小球，小球开始绕着T形支架的轴心做圆周运动解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。
在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动 失重是空间与地面环境最重要的差别之一它虽然给飞行生活带来很多有趣的体验，但也会妨碍航天员在舱内的操作，同时对航天员的心血管系统和肌肉、骨骼系统带来不利影响针对这个问题，航天医学专家研究出很多医学防护措施，航天员也会在航天器中通过主动锻炼来增强心血管和肌肉功能 图表：天宫一号太空授课：太空陀螺运动 实验三：陀螺运动——角动量守恒 实验过程：王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处紧接着，她又取出一个一模一样的陀螺，让它旋转起来，悬浮在半空中，再用手轻轻一推，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持着固定的轴向向前飞去 解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理——在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩，由于角动量守恒，旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。
而这一点在地面上之所以很难实现，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转方向利用角动量守恒定律，我们可以实现卫星的定向控制基于陀螺指向稳定性特点制成的陀螺仪，还被广泛用于不同领域各种平台的稳定控制雪铁龙C6轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制图表：天宫一号太空授课：太空制作水膜 图表：天宫一号太空授课：太空制作水球 实验四五：制作水膜、水球——液体表面张力 实验过程：王亚平把一个金属圈插入饮用水袋中，慢慢抽出金属圈，形成了一个水膜晃动金属圈，水膜也没有破裂;往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好她接着做了第二个水膜，用饮水袋慢慢往水膜上注水，水膜很快变成一个亮晶晶的大水球再向水球内注入空气，水球内形成两个球形气泡，既没有被挤出水球，也没有融合到一起最后，王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散开来，把水球变成了一枚美丽的“红灯笼” 解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用受到内部分子的吸引，液体表面分子有被拉入内部的趋势，导致表面就像一张绷紧的橡皮膜，这种促使液体表面收缩的绷紧的力，就是表面张力。
表面张力现象在日常生活中非常普遍，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等地球引力使得肥皂泡上方变薄破裂而无法长久存在，而太空中的液体处于失重状态，表面张力不仅大显身手，还决定了液体表面的形状水膜实验中，表面张力使水膜像橡皮膜一样搭在金属环里，并且比地面上形成的水膜面积更大、存在时间更长同样，由于没有重力影响，航天员向水膜上不断注入水时，这些水就能够均匀分布在水膜周围，逐渐形成水球 液体表面张力在航天活动中有重要应用失重环境下，航天器推进剂贮箱中的液体燃料界面和气体界面不再是稳定的，可能产生液体迁移、气液混合等现象，导致推进剂无法正常供应因此，科学家们制造了表面张力贮箱，利用表面张力推动液体推进剂流动，为动力系统提供满足要求的推进剂篇二：解读神十太空授课五个实验 解读神十太空授课五个实验 2013年6月20日上午10时11分，随着一声“同学们，你们好”的问候，在距离地面300公里的天宫一号，中国女航天员王亚平开始了迄今为止人类历史上第二次太空讲课弯弯的柳叶眉、清澈的双眸、甜美的笑容，王亚平昨天的出镜让人眼前一亮，立刻“秒杀”亿万网友在王亚平近乎“魔术”般手下，圆周运动的单摆、不变轴向的陀螺、晶莹剔透的水膜、红扑扑的水球，中国第一堂太空授课在趣味与惊奇中完美展现。
2007年08月14日，美国人芭芭拉摩根在国际空间站进行了人类首次太空授课，她通过视频向学生展示了在太空运动、喝水等情景专家称，和芭芭拉进行的太空授课相比，中国航天员的这堂太空授课，不仅科技含量更高，难度也更高摩根太空授课的内容是介绍和演示太空生活，而王亚平授课的内容是介绍和演示物理概念，难度高于美国据太空授课教案组介绍，太空授课计划一年前就在筹备了，本想神舟九号的时候就进行，但神九升空时间较短而且主要任务是对接任务，所以太空授课计划最终在神十实现神十太空授课创下了两个第一：中国载人航天工程史上第一次发自太空的授课，中国学生第一次通过直播画面观看来自太空的五个失重实验 神十太空授课为何挑选这五个实验？主要是从经典、易懂、新颖、观赏性和差异性、学生们的知识储备和兴趣等几个方面去考虑的，在弹簧秤、陀螺、单摆、金刚圈这些教具的协助下，神奇的现象应接不暇 实验一：打开“箱子”测质量 悬空打坐、大力神功，这两招专属武林高手们的“功夫”，经过三名航天员在太空的演绎，引来了同学们的阵阵喝彩航天员表演之后给同学们提出了疑问：在地面上，人们一般用天平、台秤等测量物体受到的重力，从而计算物体的质量那么，失重环境下该如何测质量呢？天宫一号上配备有质量测量仪，这个质量测量仪就是设置在天宫一号舱壁的一个支架形状的装置，看上去像飞船舱壁上的一个箱子。
拉开“箱子”后，聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架便在弹簧的作用下回复原位装置上的ＬＥＤ屏上显示出数字：74.0，这表示聂海胜的实测质量是74千克在给同学们解释了应用原理之后，王亚平还给同学们布置了一道课后思考题：除了运用牛顿第二定律，还有什么办法可以在失重环境下测量物体的质量呢？ 【解读】在地面上，弹簧秤提供的弹力跟重力是平衡的，不同质量的物体挂在弹簧秤上弹簧伸长不一样，即重量是不一样的在太空，因为微重力环境，两个不同质量的物体在弹簧秤上，两个弹簧指标是平齐的因为没有重量的概念，弹簧秤就没有读数天宫一号里的“质量测量仪”，运用了牛顿第二定律，即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，这一定律在太空和地面都是成立的据了解，这个原理在航天活动中比较常用例如，航天器在运行中会耗损，质量会发生变化，就影响轨道控制的精确度这时，可开启推力器，并同时测量航天器的加速度，从而准确掌握航天器的质量 实验二：神奇单摆做圆周运动 物理课上常见的实验装置单摆受力后，是左右摇摆还是圆周运动？这个稍有物理常识的人都很容易回答的问题放在太空就变得超乎想象了在第二个实验中，支架上细绳拴着一颗明黄色的小钢球，这就是物理课上常见的单摆。
王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中，拴小球的细线呈弯曲状静止，将其拉高后，结果并没有发生变化接下来，王亚平用手指沿切线方向轻推小球，小球就开始绕着支架的轴心做圆周运动，即使中心轴的角度发生改变，小球也仍然做同样的运动而同样的动作在地面对比试验中，就需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转解读】小球单摆是一个经典的运动模型在地面上小球单摆具有等时性，比如摆钟在太空中由于小球失重，只剩下一个绳子的拉力，理论上说，单摆上的小球无论放在哪个位置都不会动，小球会飘浮在空中但在实验中，小球提高到一个位置时，发生了晃动即在太空中，如果给了小球一点初速度，小球就能在绳子的牵引下做圆周运动，如果摩擦小，这种圆周运动是匀速的据了解，太空中的一个小动作，甚至呼吸，天宫一号设备的运转都可能造成小球运动 实验三：陀螺轴向不变向前飞 为了证实高速旋转的陀螺在太空失重条件下的定轴特性，王亚平取出一个红黄相间的陀螺，把它静止悬放在空中用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处，轴向也发生了改变，期间，聂海胜也对陀螺进行了干扰紧接着，王亚平取出一个一模一样的陀螺，通过道具让它旋转起来并悬浮在半空中，这时候再用手轻轻一推，旋转的陀螺只是轻晃一下，并不翻滚，而只是保持着固定的轴向，向前飞去。
【解读】旋转的陀螺体现出很好的定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理，即在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定据了解，现实生活中有很多体现，比如子弹从枪膛里出来时高速旋转，这样保持稳定性和准确性不论在太空还是在地球，都遵守角动量守恒原理在地面上，陀螺需要支撑物实现转动，而陀螺与支撑物之间的摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转的方向，最终停下在太空中，给静止的陀螺一个初速度，就会向前翻转给正在转动的陀螺一个初速度，轴向几乎不变据了解，利用角动量守恒定律，可以实现卫星的定向控制而有些轿车上，就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器，可以实现车身稳定度的控制 实验四：“水膜”内嵌入中国结 在水膜实验中，王亚平拿起一个饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中但是甩出的水珠必须用吸水纸迅速收集起来，避免乱飞影响设备安全接着，她把一个金属圈插入装满。