现代信息技术支撑了太空授课
时间：2020-05-20 07:53:33 来源：达达文档网 本文已影响 人 
神舟十号担负了一项新任务——太空授课，而女航天员王亚平成为中国首位太空老师。美丽的肥皂泡到了太空，会不会破灭？物体在太空中如何飘浮？……这些在地面难以实现的实验，从太空老师那里找到了答案。
1 太空授课强力后盾——现代信息技术
中继卫星实现数据中转，2兆网速保障视频顺畅。为天地对话牵线搭桥的，是被称为太空数据“中转站”的中继卫星。一位多年从事卫星导航的专家称，中继卫星就是中国太空数据的“中转站”。
神舟十号测控通信系统仍采用陆、海、天基测控网。与神舟九号任务相比，新增加了2012年7月发射入轨的天链一号03中继卫星。03星与01、02星共同构成中国太空数据“中转站”，进一步提升了神舟十号任务测控通信覆盖率。
中继卫星享有“卫星的卫星”之誉，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，极大地提高了各类卫星的使用效率和应急能力，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传。中国以往的载人航天任务受带宽限制，航天员在太空中只能听到声音却无法看到地面高清画面。中继卫星建立“空空地”传输链路后，电子邮件、视频通话等天地之间沟通交流的方式也更加多样化。
为确保太空授课活动顺利实施，航天员们进行了认真的备课。航天员也在神舟十号内进行在轨讲解和实验演示，并与地面师生开展双向互动交流，实验项目也让学生增长了不少知识，更深入地了解了太空。
2 现代信息技术呈现了难以实现的太空实验
实验1：打开“箱子”测质量 悬空打坐、大力神功，这两招专属武林高手的功夫，经过3名航天员在太空的演绎，引来了学生的阵阵喝彩。航天员表演之后给学生提出问题：“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量质量呢？”
天宫一号上配备有质量测量仪，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。
在给学生解释了应用原理之后，王亚平还给学生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，弹簧的伸长不一样，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，进而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2：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，T形支架上，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T形支架的轴心做圆周运动，即使中心轴的角度发生改变，小球仍然做同样的运动。而在地面做对比实验时，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。
但在实验中看到，小球提高到一个位置时，发生了晃动。即在太空中，如果给小球一点儿初速度，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3：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，然后用手轻推陀螺顶部，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干扰。
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。不论是在太空还是在地球，都遵守角动量守恒定律。
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4：“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饮用水的袋中，慢慢抽出金属圈，便形成一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。
【解读】在地面上，只有经过处理的肥皂水等才能表现比较强的张力特性，因为地面上的液体表面张力无法抗衡地球引力的作用。液体的表面张力，使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，是促使液体表面收缩的绷紧的力。
在太空中，表面张力使水膜似橡皮膜圈在金属环里，并且比地面上形成的水膜更大、存在时间更长。据了解，液体表面张力在航天活动中有重要应用。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。
实验5：普通水变身“魔法水球” 为了进一步证实液体在太空的表面张力，王亚平用金属圈重新做了一个水膜，然后用饮水袋慢慢向水膜上注水，不一会儿，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球，水球中还有一串小气泡。聂海胜取出一支注射器，抽出水球中的小气泡。
王亚平用注射器向水球内注入空气，在水球内产生了两个标准的球形气泡，气泡既没有被挤出水球，也没有融合到一起，水球也没有爆裂。紧接着，她又用注射器把少许红色液体注入水球，红色液体慢慢扩散开来，透明的水球就变成了粉红色。
【解读】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。太空中去除了重力对物体形态的制约，由于分子间的相互作用，液体表面张力很明显，液体的表面积会缩到最小，就变成了水球。在地面上，由于有密度差，如果注入红色液体，扩散会有一个总体的趋势，就像鸡尾酒里的层次分明。但在太空中没有密度差，扩散就比较均匀。
