-实验2单摆实验
 

　　　聂海胜打坐王亚平一指禅

　　“现在我们是在远离地面300多公里的天宫一号实验舱里向大家问好。同学们都知道，失重是太空环境中最独特的现象，那么首先让我们的指令长来给大家表演几个高难度的动作吧”，刚开始讲课，两位老师就让地面的学生大开眼界。

　　聂海胜盘起双腿，慢慢飘了起来，做了一个精彩的“悬空打坐”。“我还有‘大力神功’呢”，话音刚落，王亚平伸出一指，轻轻一点，聂海胜就向舱后飞去，边飞还边翻跟斗，引来地面的掌声和笑声。“怎么样，很厉害吧。”王亚平笑着对学生们说：“在太空失重环境中，我们个个都像是身轻如燕的武林高手。”

　　[太空]昨天，王亚平展示的第一个实验是质量测量。在太空微重力环境下，如何称人的体重呢？王亚平请指令长聂海胜展示如何使用天宫一号中的质量测量仪来称体重。只见聂海胜飘到测量仪前，抓住仪器上几个扶手，牵引测量仪的钢丝绳拉开又回来，一旁的电子屏上就显示出聂海胜的体重：74千克。

　　[地面]26名同学中选出了一胖一瘦两人，“如何利用体重计让瘦同学增重、胖同学减重？”在尝试了各种方法后，同学们发现，瘦同学慢蹲快站，体重计显示的数字变大了；胖同学快速下蹲后，体重计显示数字则变小了。温老师介绍，这就是“增重”和“失重”现象，类似乘坐电梯在起降瞬间时的感受。

　　[解答]航天中学温鹏老师说，地面体重计要求人保持静止站立状态，重力与体重计支持力是相等的。太空失重，支持力为零，体重计测不出来。王亚平介绍，太空测重仪通过“弹簧—凸轮”机构产生恒定力，把聂海胜拉回到初始位置。光栅测速系统测出身体运动的加速度。根据牛顿第二定律F=ma，算出身体重量。

　　[太空]王亚平演示的第二个实验是单摆实验，她拿出一个支架，用细绳将小球连接在支架上，形成了一个单摆。只见王亚平将小球轻轻拉起，神奇的一幕发生了：小球在空中缓缓地悬浮着。接下来，王亚平推了小球一下，小球开始绕着摆轴做起了匀速的圆周运动。

　　[地面]在教室里，同学们的桌前也放置着这样的支架。但当大家拿起小球到一定角度松手后，小球便在空中划着弧线开始往复摆动。紧接着，再把小球使劲儿一推，小球也绕着摆轴做起了圆周运动，但只绕了几圈后，便停了下来。

　　[解答]温鹏说，究其原因还是因为重力作用不同。小球因重力作用下坠，在细绳的拉动下，做起简谐运动。再给它一个比较大的外力，它也会开始圆周运动。但同时，在重力作用下，小球不停地改变运动状态，所以不能像在太空中那样不停地转圈，最终停了下来。

　　[太空]陀螺是很多人儿时的玩具，大家对它并不陌生。在太空中，王亚平分别展示了静止的陀螺和高速旋转的陀螺在太空的状态。王亚平先对一枚悬空静止的陀螺施加干扰力，陀螺翻滚着向前运动，轴向发生了很大改变。随后，再让陀螺旋转起来，这次，陀螺不翻滚了，晃动着向前走。

　　[地面]在地面上同学们在老师的指导下，先让陀螺高速转动起来，然后用手轻轻触碰，陀螺并未改变转动轨迹，仍然稳定转动。据了解，这涉及陀螺的定轴性原理，实际上在中学课本中并未涉及，属于大学知识范畴。通过太空实验演示，让这一略显深奥的物理知识得到了很直观的展示，学生们理解起来并不难。

　　[解答]温鹏说，高速旋转的陀螺具有很好的定轴性，这一定轴特性在天上地上是完全一样的。太空环境中，静止的陀螺它的轴是不固定的，加之没有重力，会翻滚着运动。而一旦旋转运动后，由于是围绕轴运动，即使有干扰力，陀螺仍会稳定旋转。正因为陀螺的这一特殊的稳定性，在航海、航天中均使用到陀螺仪。

　　[太空]王亚平取出了一个金属圈，把它插入装满饮用水的自封袋中再慢慢抽出来，圈中结了一个透明的水膜。轻轻地来回晃动中，水膜完好无损。“我想如果诗人李白在天宫中生活，大概他就写不出‘飞流直下三千尺’的诗句了，因为在失重状态下，根本就不可能会‘飞流直下’”。

　　[地面]在地面上，同学们费尽九牛二虎之力，也难以和太空中的王亚平PK。学生们用准备好的吹泡泡筒，轻而易举地制造出了泡泡膜，但却不能像王亚平一样，和泡泡玩“游戏”，泡泡坚持不过几秒就破裂了。紧接着，大家又试图用清水吹出泡泡，但也全部失败了。

　　[解答]温鹏老师说，在太空失重状态下，水的表面张力变大，能轻松地形成水膜。在地面上形成水膜是很难的，因为有重力的影响，一出水就会破裂，而在太空失重环境中，水的表面张力就会大显神威。

　-实验3太空陀螺
 

　　[太空]王亚平用注射器往水球中先后注射了两个水泡，与地面上不同，这两个水泡并未融合在一起，而是单独存在着。随后，王亚平又用针筒向水球中注入了红色的液体，红色的液体在水球中慢慢弥漫，最终将透明的水球染成了红色水球。

　　[地面]一位同学用红墨水把一个烧杯中的纯净水染成红色，之后用滴管吸出一些水，再把它从滴管中缓缓挤出。另一位同学则用放大镜观察挤出的水是什么形态。“是水滴形的，下面大上面小，跟太空里的不一样。”学生们争先说出自己的观察结果。

　　[解答]为什么水滴在太空中能成为一个标准的圆形呢？温鹏解释道，由于在太空中没有外力影响，水只有表面张力，在表面张力作用下水会形成一个表面积最小的形状，也就是球形。而在地球上，由于重力作用，水滴下来只能形成液滴状。

　　　□天地互动实验用水可以循环使用吗？

　　将来空间站循环用水

　　人大附中高二年级学生司紫硕：刚才的水实验我觉得非常非常有趣，我还想知道的就是这些实验用水是你们从地面直接带上去的？还是在天宫生活中循环再生的？之后这些水还能够被回收起来再利用吗？

　　聂海胜：我们在天宫一号上使用的水都是从地面上带来的，在太空中资源循环利用是非常重要和有价值的，这需要先进技术和复杂设备。因此，针对短期飞行还是一次性用水更经济，我国空间站将采用先进的资源再生和循环利用技术。在天宫一号里，我们也进行了部分相关关键技术的验证实验。我国科研人员将会把中国空间站建设成为运行高效、节约的空间站。