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太空授课揭秘神奇的物理实验,开启你的太空梦

2013-08-14  龙溪舟子
           王亚平太空授课内容主要是使中小学生了解微重力环境下物体运动的特点。在实验开始,神舟十号指令长聂海胜首先做了一个太空打坐

原因:由于处于失重环境,几乎没有重力,所以此时人不受外力作用,因而可以定于空中不动。(牛顿第一定律)

实验一

质量测量

在失重的太空,地面的测重不再奏效。那么,航天员想知道自己是胖了还是瘦了?怎么称重呢?太空教师王亚平问。

在天宫一号,有一样专门的质量测量仪太空授课的助教聂海胜将自己固定在支架一端,王亚平将连接运动机构的弹簧拉到指定位置。松手后,拉力使弹簧回到初始位置。这样,就测出了聂海胜的质量——74千克

揭秘:牛顿第二定律

对这个问题,王亚平就有解释,其实,就是牛顿第二定律F=ma也就是,物体受到的力=质量×加速度。如果知道力和加速度,就可算出质量,弹簧凸轮机构,产生恒定的力。也就是,刚才将助教拉回至初始位置的力。此外,还设计一个光栅测速系统,可测出身体运动的加速度。

用光栅测速装置测量出支架复位的速度v和时间t,计算出加速度(a=v/t),就能够计算出物体的质量(m=F/a)。牛顿第二定律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。

实验二

单摆运动

T形支架上,细绳拴着一颗小球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平将小球拉升至一定高度后放掉,小球像着了魔似的,用很慢的速度摆动。随后,王亚平用手指轻推小球,小球开始绕着支架的轴心不停地做圆周运动。

揭秘:太空失重

浙大航空航天学院专家:在地面,单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速有关。但在失重的状态,没有了回复力,钢球就静止在原始位置。这时,细绳并没有给球拉力。

手推小球,相当于给了小球一个初始速度,同时细绳又给小球提供了拉力,细绳拉力平衡离心力,小球便绕着支架的轴心做圆周运动。如果没有细绳的拉力,小球就做匀速直线运动。

而在地面,空气的阻力使物体的速度越来越慢,重力则使物体向下掉。

实验三

陀螺运动

王亚平取出一个陀螺,用手轻推,陀螺竟然翻滚着向前,行进路线变幻莫测。随后,她又取出一个陀螺,抽动它后,再用手轻推,陀螺沿着固定的轴向向前飞去。

揭密:角动量守恒

转动的陀螺具有定轴性。何为定轴性?就是当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性,也称为稳定性。转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;转子角速度愈大,稳定性愈好。定轴性遵守角动量守恒定律——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,高速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。

实验四

制作水膜与水球

这是同学们最感兴趣,也是最神奇的实验。

一个金属圈插入饮用水袋并抽出后,形成了一个水膜。这在地面,难以实现,因为重力会将水膜四分五裂。那么,这个水膜结实吗?轻晃金属圈,水膜并未破裂,而是甩出了一个小水滴。再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。

更奇迹的时刻:在第二个水膜上,用饮水袋不断注水,水膜很快长成一个晶莹剔透的大水球。水球内有连串的气泡,用针筒取出,水球却不受任何破坏。

最后,王亚平注入红色液体,红色慢慢扩散,水球变成了一枚美丽的红宝石

揭秘:液体表面张力

浙大航空航天学院的专家:液体表面层内分子间存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的,在太空与地面液滴产生表面张力的原理以及表面张力大小都是一样的。只是,在失重的状态下,表面张力表现更为明显。失重时,水珠之间没有了重力的挤压,液滴在表面张力的作用下,都形成了最完美的球形。

液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力,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。微观表现为分子引力,宏观体现即液体表面的张力。当针尖戳入水球时,水的表面张力依然存在,故水球不被破坏。

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