中國的航天科學(xué)教育與空間探索活動(dòng)相伴而生。半個(gè)多世紀(jì)以來，在培養(yǎng)專業(yè)人才的同時(shí)，航天科學(xué)教育逐漸凸顯出向公眾普及航天科學(xué)知識、傳播航天科學(xué)思想、弘揚(yáng)航天科學(xué)精神的巨大價(jià)值。
中國空間站在軌建設(shè)之際，航天員的“天宮課堂”正在成為常態(tài)。這一切的起點(diǎn)，是2013年6月20日神舟十號乘組航天員在天宮一號空間實(shí)驗(yàn)室講授的那一堂特殊的物理課。其中的精彩內(nèi)容，讓人至今難忘。
我國首次太空授課（圖片來源：新華社）
實(shí)驗(yàn)一：太空質(zhì)量測量
由于在微重力環(huán)境下，我們無法像地表上那樣通過重力測量質(zhì)量，于是我們就需要借助其他的物理手段，通過牛頓第二定律測量質(zhì)量就是辦法之一。
很多時(shí)候，當(dāng)我們無法直接獲得物理量的時(shí)候，我們就可以通過物理量之間的關(guān)系來間接測得這個(gè)物理量，而這也是空間探測的基本思想。
實(shí)驗(yàn)二：太空單擺運(yùn)動(dòng)
在地面上，支架上的細(xì)繩拴著一顆小球構(gòu)成一個(gè)單擺系統(tǒng)。將小球拉起后放手，小球開始往復(fù)擺動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期與細(xì)繩長度、重力加速度有關(guān)。最終，小球在空氣阻力作用下停止擺動(dòng)。但在太空中沒有重力影響，拉起小球后放手，小球會(huì)停在原位置，不產(chǎn)生擺動(dòng)；如果用手推一下小球，給小球一個(gè)較小的初始速度，小球便可繞著支架軸做圓周運(yùn)動(dòng)。而在地面上，如果不給小球一個(gè)非常大的初始速度，小球是很難進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的。
太空單擺實(shí)驗(yàn)（圖片來源：CCTV）
實(shí)驗(yàn)三：太空陀螺運(yùn)動(dòng)
高速旋轉(zhuǎn)陀螺的自轉(zhuǎn)軸軸向在慣性空間中會(huì)保持不變。太空中，用手觸碰高速旋轉(zhuǎn)的陀螺和靜止的陀螺，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺雖然會(huì)產(chǎn)生輕微晃動(dòng)，但其自轉(zhuǎn)軸的軸向保持不變，而靜止的陀螺則會(huì)發(fā)生翻滾。可見，高速旋轉(zhuǎn)陀螺的定軸特性在天上和地面上是完全一樣的，人們把利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀，而陀螺儀也是航天器中一種常用的儀器。
陀螺儀最早應(yīng)用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為航天器導(dǎo)航控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，它能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，而導(dǎo)航控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些信號完成對航天器的姿態(tài)控制和軌道控制。
太空陀螺實(shí)驗(yàn)（圖片來源：CCTV）
實(shí)驗(yàn)四與實(shí)驗(yàn)五：水的表面張力
實(shí)驗(yàn)四太空制作水膜，和實(shí)驗(yàn)五太空制作水球，利用的都是液體的表面張力。在微重力環(huán)境下，液體的表面張力很容易被我們觀察到。
作用于液體表面、使液體表面積縮小的力，叫液體表面張力。金屬圈插入水袋后形成的水膜不會(huì)破碎，往水膜表面貼上“中國結(jié)”，水膜依然完好。這是在太空失重環(huán)境下液體表面張力特性突顯的結(jié)果。向水膜注水，水膜很快變成一個(gè)晶瑩剔透的大水球。這樣完美的球形只可能存在于微重力環(huán)境中，因?yàn)樵诘孛嫔弦后w表面張力難以抗衡地球引力的影響，水球必然發(fā)生形變。
在地球上生產(chǎn)高精度的標(biāo)準(zhǔn)球形歷來是工業(yè)難題，而在太空中，液體金屬靠表面張力，就能自然凝結(jié)成毫無瑕疵的球形，可用于制作精密機(jī)械軸承。未來隨著近地軌道的開發(fā)，我們完全可以在太空中利用液體的張力來進(jìn)行精密部件的生產(chǎn)與研發(fā)。
太空水膜、水球?qū)嶒?yàn)（圖片來源：CCTV）
通過這些實(shí)驗(yàn)，有助于青少年在天地環(huán)境的差異中加深對質(zhì)量、重量、牛頓定律等基本物理概念的理解。即將完成建設(shè)、在軌運(yùn)營10年以上的中國空間站，必將構(gòu)建起更加廣闊的科學(xué)教育平臺(tái)。
今天，當(dāng)普通民眾相約拍攝于頭頂夜空掠過的中國空間站，當(dāng)越來越多的青少年把科學(xué)和空間探索相關(guān)職業(yè)作為人生理想，中國發(fā)展航天的意義早已超越航天工程本身。
科學(xué)審核：王兆魁 清華大學(xué)航空宇航工程系主任
責(zé)任編輯：王鵬鵬
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