天宫课堂|“天宫课堂”神奇实验背后的奥秘

对地球上的孩子们来说，承载着无限梦想的星辰大海浩瀚无边，也很遥远。但翟志刚、王亚平、叶光富老师的声音和面孔，却格外清晰和亲切。从某种意义上说，三位“太空教师”的形象就是他们心中梦想的样子。
3月23日， “天宫课堂”在中国空间站再次开讲，太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验又一次唤醒大家对太空的奇思妙想。仿佛开启一扇门， “天宫课堂”再次将孩子的想象力和星辰大海之梦打通，太空探索继续远航。
冰墩墩在太空走了直线
忙完冬奥会之后， “顶流”冰墩墩又在空间站“加班” 。太空抛物实验演示了天地之间抛物区别。王亚平手拿冰墩墩抛出，如果是在地面，冰墩墩一定会下坠，但在“天宫课堂” ，正如王亚平所说：“冰墩墩并没有像在地面一样下坠，而是沿着直线近似匀速前进。这和牛顿第一定律描述的现象相同。 ”
太空授课地面主课堂老师、北京师范大学第二附属中学物理教师张健解释，牛顿第一定律，又叫惯性定律，就是任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。
在地球上，人们被地心引力牢牢吸在地上，但空间站属于微重力环境，冰墩墩没有往下坠。张健解释说，平抛运动是中学物理知识中一个非常重要的运动规律，同学们日常生活中对于这种现象司空见惯，但是在完全失重的情况下，平抛运动到底遵循怎样的规律，运动轨迹如何，老师平常只能通过想象的方式让同学们去理解。他看到这次太空授课冰墩墩所演示的情况非常兴奋， “这样就能使学生清楚地认识到，在失重时物体平抛的规律” 。
实际上，平抛运动的原理在现实生活中应用非常广泛。张健在黑板上画了个半径为R的球体，代表地球，地球上标出一座高山。他说：“如果我们在高山上做平抛实验的话，把物体抛出，它将落向地面，如果将物体抛出的速度变大，它将会落向更远的地方。如果抛出的速度足够大，它有没有可能不落回地面而成为环绕地球的一颗卫星呢。 ”
这个想法最早由牛顿提出，是一个思想实验，也被称为“牛顿的高山大炮实验” 。所谓思想实验，又称为理想实验，指的是用一定的逻辑法则在头脑中进行物理问题研究的思维方式和研究方法。
这类思想实验在科学发展的历史中并不鲜见，张健举例，伽利略通过理想斜面对接实验，帮助人们认识了力与运动的关系；在广义相对论中，爱因斯坦用理想升降机提出了强等效原理；海森堡提出的测不准原理，也是利用了单电子衍射理想实验。
“基于逻辑法则和事实基础开展的思想实验，对科学进步起到了重要的作用。 ”张健说。
至于“牛顿的高山大炮实验” ，则引出了第一宇宙速度等概念，成了发射人造卫星、空间站的重要依据。
张健解释， 7.9千米/秒是第一宇宙速度，也是最小的火箭发射速度；如果抛出速度大到11.2千米每秒，就达到了第二宇宙速度，是脱离地球引力的最小发射速度，比如可以飞向火星；如果抛出速度大到16.7千米每秒，就达到了第三宇宙速度，这是飞出太阳系的最小发射速度。
其实，中国航天，就是这样越走越远的。
“冰球”实验为无容器柜出场打前站
此次太空授课中，晶莹的热“冰球”实验给不少人留下了深刻的印象。实际上，这是最让人捏把汗的一个实验。
过饱和乙酸钠溶液被王亚平从储存袋里挤出，形成球体悬浮在空间站中，她手中的毛杆一碰小球，球体随即开始结晶，变成了一个“冰球”的样子。只是结晶过程放热，王亚平拿手碰了碰小球，告诉大家，其实它是热的。