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神十“教具”重2.9公斤 飞天成本约达35万元

2013年06月21日07:26
来源:京华时报



  昨天上午10点04分,在距离地面300多公里的天宫一号里,中国女航天员王亚平开始了迄今为止人类历史上第二次太空讲课。地球上,北京人大附中课堂座无虚席,300多名中小学生聆听了来自太空的“特殊一课”,全国6000多万学生同步收看了直播。在北京航天中学里,高二“神箭班”的26名同学更是与天宫进行了同主题的实验。北京101中学的物理老师史艺,作为“太空授课”专家组成员,她为王亚平的太空授课打100分。

  天地课堂

  太空教师“飞进”课堂

  昨天上午10时11分,北京航天飞行控制中心报告,已与天宫一号内的航天员建立双向通信链路。

  “同学们,你们好!”大屏幕上,身穿蓝色航天服的王亚平飘浮着来到镜头前,微笑着与大家招手见面,她就是这堂课的主讲教师。为了备好课,她精心准备了授课内容,向专业教师虚心请教讲课技巧,还扎起了秀气的马尾辫。不过,在失重环境下,精心梳理的马尾辫变成了蓬松的“毽子”。

  指令长聂海胜责任重大,作为“助教”负责看管教具。同时,他还将照管天宫一号和神舟十号组合体的飞行,并用专用耳机与地面保持联络,以备处置意外情况。航天员张晓光担任太空课堂的摄影师。他用束缚带把自己固定在舱壁上,保持身体平衡,地面看到的直播画面,很多都来自他的手持摄像机。

  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。

  [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。

  看到太空垃圾了吗?

  发射前就作了预警分析


  北师大附中高一学生毛思锐:在太空中能看到太空垃圾吗?天宫一号是否有应对太空垃圾的防护措施呢?

  王亚平:在飞行的这几天,我们还没有看到太空垃圾,不过事实上太空垃圾确实是存在的。虽然它与航天器相撞的几率很小,但是数量却不少,一旦与航天器相撞,后果将不堪设想。因此,在发射前我们就对太空垃圾进行了预警分析,也对天宫一号采取了相应的规避和防护措施,以确保航天员的安全。

  怎么应对失重对身体的不利影响?

  体育锻炼、药物和体液重新分布


  潞河中学高一学生韩苏阳:在太空中需要生活很长时间,采取了哪些措施来应对失重环境对身体的不利影响?

  聂海胜:在太空,航天员会遇到失重、噪声、狭小密闭环境等不利因素的影响。失重会造成人体心血管失调、骨丢失、肌肉萎缩等。为对抗失重,我们通常采用体育锻炼、药物和体液重新分布等方法来进行防护。这次我们带来了很多设备,比如企鹅服、套袋、拉力器、自行车供量计等。刚才授课的小讲堂,就是自行车供量计改装的,等一会儿重新组装成为体育锻炼的太空自行车。

  星星会闪烁吗?看见UFO了吗?

  每天看16次日出还没看到UFO


  史家小学读四年级邱甜:在天空中看到的景象和在地面上看到的有什么不同?星星会闪烁吗?能看见UFO吗?

  王亚平:这确实是一个很奇妙的问题。透过舷窗我们可以看到美丽的地球,还可以看到日月星辰,但是到现在为止我还没有看到UFO。由于我们处于大气层之外,没有了大气的阻挡和干扰,我们看到的星星格外明亮,但是星星不会闪烁。同样,由于没有了大气对光的散射作用,我们看到的天空不是蓝色的,而是青翠的黑色。另外我要告诉你们一个很奇妙的现象,现在我们每天都可以看到16次日出,因为我们每90分钟就可以绕地球一圈。

  实验揭秘

  时间限制许多实验未演示


  昨天,太空授课备课组组长邸乃庸表示,“太空授课”对青少年教育非常重要。可以让孩子们知道太空是什么样的环境,跟地面有什么不一样,它会产生什么样奇特的现象,将这些呈现给学生,能够引起学生进一步扩大领域的思考,使中小学生以后再考虑问题的时候,能够更加全面,同时也更加能够激发青少年的科技热情。

  他介绍,为使太空授课呈现良好效果,国家专门成立了专家组,“最初,专家们提出了很多实验,但是不可能都做,最后选择的是可视性好,便于操作的实验”。邸乃庸说,此次选择的都是物理实验,此前专家组也考虑进行化学实验,虽然太空中化学实验中的一些溶液变化与地面实验不同,但这需要靠航天员进一步解说。最终,专家组选定用眼睛可直观看出来的物理实验。此外,实验选择上还考虑了航天员是否容易操作及使用简单的用具。因为航天员并不是实验人员,实验的主要目的是告诉学生失重环境与地面不一样。

  他透露,在最初的设计中,远不止昨天现场演示的实验,但由于受到时间限制,最终只演示了这么多内容。对于昨天航天员的实验表现,邸乃庸表示非常满意。

  教具飞天成本约达35万元

  太空授课教案组金声老师介绍说,太空授课计划其实在一年前就开始筹备,本想神九时进行,但神九升空时间较短,而且神九的主要任务是对接任务,所以太空授课计划最终在神十实现。

  去年9月开始,太空授课教案组开始广泛征求各方意见,确定实验计划。在天宫一号中呈现的几个实验,都是经过反复推敲、精挑细选的。“实验的选择主要考虑到科普性、可视性、教育性和可实施性四个方面。最终确定演示失重环境中的力学原理和液体表面张力。”

  金声介绍,往太空带物品不是斤斤计较,而是克克计较。但这次为了太空教学,带上天宫一号的“教具”总重量是2.9公斤,也体现了国家对这次太空授课的重视。

  据了解,1千克物质从地面发射到近地轨道的空间站约需2万美元。以此计算,这些教具飞天成本达到5.8万美元,即35万元人民币左右。

  课时40分钟系精心安排

  在授课时间安排上,昨天很多学生都询问,为什么不能延长时间。对此,邸乃庸解释,太空授课的40分钟时间也是经过精心安排。主要是因为这段时间的天地通话效果是最好的。他表示,在此前的计划中,王亚平还将做更多的实验,但是,他们需要将时间控制在40分钟内,因为这段时间神十经过我国所有的测试站,直接测控,其画质、声音的传输效果都是最好的。因此,受到时间的限制,太空授课的时间为40分钟。

  师生反应

  学生:不能做航天员也愿做老师


  40分钟的太空课学生们仍觉得意犹未尽。太空课堂激发了同学们探索太空的好奇心,看到航天员通过直播回答了很多学生的提问后,学生杨南仍觉得不过瘾。杨南说,好多问题直播里没有找到答案,他准备回去后搜集资料继续研究。

  史家小学四年级的邱甜说,她还没有开始学物理,但通过这堂课对失重、水的张力等有了难忘的记忆,她也特别喜欢漂亮、聪明的王老师,“如果不能做航天员,我也愿意做老师。”

  老师:我给王亚平打100分

  北京101中学的物理老师史艺和来自人大附中的物理老师宓奇,是太空授课专家组的成员。今年春节前接到任务之初,他们便向全国中小学生征集最关心的物理问题。专家组将这些问题提炼成了昨天王亚平在太空中的课程。

  史艺说,航天员训练任务非常繁重,他们与航天员的交流都是断断续续的,有时候两周交流一次,有时候则需隔一个月。他们的任务主要是向航天员介绍从小学到高中学生在物理方面的储备情况,也会向他们展示一些小实验。

  史艺说,王亚平讲课内容都是她自己完成,此前,并没有告诉她需要怎么讲,应该注意哪些内容。“如果对王亚平的讲课打分的话,我打100分。”

  航天员寄语

  聂海胜:“愿同学们刻苦学习,增长知识,为‘中国梦’添彩!”

  张晓光:“深邃太空,奥秘无穷,探索无止境,让我们共同努力!”

  王亚平:“飞天梦,永不失重。科学梦,张力无限!”



  太空发邮件

  王亚平给前辈回信

  昨天,完成太空授课的中国女航天员王亚平在天宫一号通过电子邮件,向世界第一位“太空教师”、美国前宇航员芭芭拉·摩根回信。

  “亲爱的芭芭拉·摩根女士:在遥远的太空收到您的来信,我和我的同事感到很高兴,谢谢您对我们的关心和祝愿,对您为世界载人航天和教育事业做出的贡献表示敬佩和敬意。今天,我们顺利完成了太空授课活动,与亿万中国学生一起分享了太空的神奇和美妙,收获了知识和快乐,希望您和世界各地的教师、学生看到后能够喜欢。飞行期间,我经常会通过舷窗遥望我们美丽的家园。太空寄托着人类美好的向往,知识是走向太空的阶梯。我们愿与您一道为开启全世界青少年朋友热爱科学、探索宇宙的梦想共同努力。”

  6年前,芭芭拉·摩根乘坐“奋进号”航天飞机进入国际空间站,通过视频向学生展示在太空运动、喝水等情景,上了人类历史上第一堂太空课,也圆了她21年来的梦想。

  今年6月13日神十飞天后,62岁的芭芭拉致信王亚平,表达对神十航天员的问候和祝愿,并给予王亚平的太空授课热切期盼和鼓励。
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