王亚平《天空课堂》在物理教学中的应用

文/陈红明

【摘 要】神舟十号航天员王亚平在《天空课堂》共做五个实验都与中学物理知识密切相关，这节课对物理教学也有很多的启迪和帮助，为提高学生对航天科技的兴趣，和搞好物理学习，对五个实验作了有效的分析，便于学生理解个中缘由。

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关键词 天宫课堂；中学物理；实验教学

2013年6月20日，神舟十号航天员王亚平在天宫一号内举行太空授课，这激发了众多中小学生对航空航天的兴趣。王亚平在《天空课堂》共做五个实验：在太空中如何测量物体质量、单摆运动、陀螺运动、水膜实验、水球实验。一个副产品——聂海胜“悬空打坐”与王亚平“大力神功”。这些实验都与中学物理知识密不可分。这节课对中国无数的青少年产生深远的影响，大大激发同学们对美妙太空的向往，对科学探索的热情。我自己看了5遍，其中对某些片段更是多次回放，所任教班级集体完整观看一遍。从学生的眼神中，读出什么是神奇、什么是美妙、什么是渴求。这节课对物理教学也有很多的启迪和帮助，根据课堂实况，做出文字解读，以飨读者。

实验一：在太空中测物体质量

王亚平在天宫一号里，测质量的原理是牛顿第二定律，借助先进的测量仪器，容易测出拉力F和加速度a，计算出指令长聂海胜的质量74.0kg。中国航天员科研训练中心主任邓一兵在国新办天宫一号与神舟十号载人飞行任务举行的新闻发布会上表示，聂海胜参加神十任务发射出征的当天进行了体检，体检是空腹净重72公斤。邓一兵表示，在太空授课的过程中，聂海胜用质测仪测量质量的时候，他当时穿着舱内的工作服、内衣、舱内工作袜，还有舱内用鞋，这些质量统计起来大约是1.89公斤。所以综合上面这些信息，太空授课时测量出的聂海胜的质量和他的实际体重是基本相符的（来自百度百科聂海胜词条）。直接验证物体质量不随地理位置的改变而改变的结论，这是在地球上难以完成的。

另外，用弹簧振子测质量，其测量原理是振动周期T=2π。

在天空一号里，老师不能用天平、杠杆测质量，因为失重，物体对杠杆没有压力，不能应用杠杆原理计算。因为失重，物体对弹簧没有拉力，弹簧测力计测不出物体重力，也不能间接测质量。

实验二：单摆在失重时的运动状态

王亚平松开单摆小球后，单摆不往复摆动，而是漂浮在空中，摆线自由弯曲，不产生拉力。轻推小球，给一个很小的速度，小球可在任一平面做匀速圆周运动。跟地球上单摆的特性完全不一样。

实验三：高速旋转陀螺的定轴性

高速旋转的陀螺定轴性在地面和太空是一样的。利用陀螺定轴性原理设计仪器，用于航天器姿态和轨道测量。王亚平演示了在失重状态下，给不旋转的陀螺顶端施加力，陀螺翻滚着向前运动，轴向任意改变。使陀螺旋转起来，给它的顶端施加力，陀螺没有翻滚，而是晃动着向前运动，轴向不发生改变。这样的实验现象在地面很难做到。在打老蒋的游戏里，高速转动的“老蒋”，能直立旋转，转速降低后，很快就倒下来了。

实验四和五：水膜、水球实验

把钢圈伸入水袋的过程中，因为失重，水没有流出来，在太空中生活的李白，写不出飞流直下三千尺的诗句。形成水膜后，左右摆动，甩出一大滴水，水膜没有破裂，往上贴中国结，水膜没有破裂，往水膜上加水，做成水球，也没有破裂。皆因为失重，水膜既可做得厚些，也可做得薄些，充分展示分子间的相互作用的引力的存在。

透过水球看到王亚平的倒立缩小的实像，是凸透镜成像原理；往水球里注入气泡，气泡都能独立存在；缓慢往水球里注入红颜色液体，整个球都变成红色，因为失重红颜色液体不能流动，只能是分子的无规则运动的结果。

最后一个环节，学生提问涉及：1．资源回收利用。2．太空垃圾。3．失重环境对身体的不利影响。4．在天宫一号看地球、看太空看到的是什么样？王亚平和聂海胜都一一做了回答。

关于失重对身体的影响，聂海胜的回答是，在太空由于失重、噪声、狭小密闭空间环境，对人体造成心血管失调、骨丢失、肌肉萎缩等影响，为了有效对抗失重的不利影响，我们采用体育锻炼、药物、体液重新分布等方法进行防护。

关于在天宫一号看地球、看太空看到的是什么样？王亚平的回答是，透过舷窗可以看到美丽的地球，还有日月星辰，暂时没有看到UFO。我们处于大气层之外，没有了大气的阻挡，看到星星格外明亮，不闪烁，没有大气对光的散射，太空是深邃的黑色。每天可以看到16次日出，因为90分钟绕地球一圈。

从画面看，学生提问后，王亚平开口讲话有延迟现象，根据天宫一号离地球约300km，可以估算出延迟时间为0.01s。

最后，来回顾聂海胜“悬空打坐”与王亚平“大力神功”。这一实验，为牛顿第一运动定律做了最好的演示。不受力的作用时，要么保持静止状态，如“悬空打坐”，要么保持匀速运动状态，如被王亚平轻推后的聂海胜，一直匀速运动下去。

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参考文献

[1]胡杨.把课堂搬到太空[J].太空探索.2013年第6期

[2]颜美群.“天宫一号”航天事件的微博直播分析[J].新闻知识.2012年第3期

[3]中国科学院空间应用工程与技术中心.空间应用系统天宫一号目标飞行器和神舟八号飞船交会对接任务[J].中国科学院院刊.2012年第27期

（作者单位：江苏省泰州塘湾实验学校）