天宫授课，让科学炫在九天

○张学军

2023 年9 月21 日15 时48 分，“天宫课堂”第四课如约而至，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮在梦天实验舱面向全国青少年进行了约48 分钟的太空科普授课。本次课中的四个实验都很精彩，特别是“奇妙乒乓球”和“又见陀螺”实验。由于地面条件所限，我们对某些科学实验可能领会不深，天宫课堂的演示让我们豁然开朗。

【球形火焰实验】

球形、偏蓝的火焰让观众大开眼界，天上、人间物象果然两样。（本刊今年第9 期《载荷专家在天上干什么》一文曾对太空燃烧作过详细解释。）

【动量守恒实验】

两个钢球碰撞后的动静转化、移动方向变化清晰地演示了动量守恒理论：如果一个系统不受外力，或者所受外力的矢量和为零，这个系统的总动量保持不变。

【奇妙“乒乓球”实验】

实验内容：首先，朱老师用饮水袋制作了一个小水球，桂老师用一只普通的球拍击打水球，水球粘在了拍上；接下来，桂老师制作了一个同样的水球，两人用包裹着干毛巾的球拍击打水球，实现了太空对打。

实验原理：表面张力使得水在微重力环境中能够保持较稳定的球形状态，所以太空中制作水球比较容易。当用普通乒球拍击打水球时，由于球拍表面的胶皮具有一定的黏性，所以水球被粘在了球拍表面。而用裹着干毛巾的球拍击打水球时，由于毛巾表面的微绒毛形成的微纳结构具有较好的疏水性能，帮助球拍与水球分离。这样，水球就可以被球拍弹开了。

实验拓展：用干毛巾擦汗时，汗液被挤压到了疏水结构下方的纤维空隙里，这就是毛巾不吸水却能擦汗的道理。制造出毛巾所有的这种疏水结构在纺织工艺中很常见，冲锋衣、速干衣等都运用了这种处理工艺。

知识点：

表面张力

处于界面的分子与处于本体内的分子所受的力是不同的。在水内部的水分子受到周围水分子的作用力的合力为零。但在表面的水分子受到上层气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力使得液体表面层犹如紧绷的橡皮膜，尽可能地缩小表面面积。球形是一定体积下具有最小表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形。雨滴形成露珠就是这个道理。

【又见陀螺实验】

实验内容：（1）桂老师双手握住一个静止的金属陀螺，分别向左、向右改变陀螺的方向，他的身体姿态没有发生明显的改变。（2）让陀螺快速旋转起来，然后桂老双手握住陀螺，向左、右改变它的轴向，此时，他的身体姿态被陀螺带动，发生了改变。

知识点：

角动量

角动量是物理学中描述物体绕某一轴旋转时的动量表现的概念，可以将其理解为物体旋转的某种“惯性”。它是一种矢量物理量，具有大小和方向。物体的角动量大小和物体的质量、物体的旋转速度以及物体与旋转轴之间的距离有关。角动量的改变需要外在力矩，没有外在力矩时角动量保持守恒，也就是转动状态保持不变。

实验原理：当金属陀螺静止时，它的角动量为零。桂老师改变陀螺方向时，陀螺的角动量不变，几乎不需要施加力矩，陀螺对他的手也几乎没有反作用力矩，所以桂海潮的身体姿态基本保持不变。当金属陀螺快速自转时，具有较大的角动量，此时桂老师再改变陀螺的轴向时，等于要改变陀螺的角动量，需要对陀螺施加一个力矩，相应地陀螺必然对他的手产生一个反作用力矩，从而带动他的身体姿态发生变化。

实验拓展：空间站在太空中转身就是运用了同样的原理。空间站上安装了一种叫作控制力矩陀螺的特殊装置。控制力矩陀螺在高速自转，具有非常大的角动量，当改变陀螺的方向时，就可以对空间站施加很大的力矩，改变空间站的姿态。空间站装有多个控制力矩陀螺，虽然总重量只有几百公斤，却能让重达几百吨的空间站在太空中实现轻松自如地转身。当然，这种陀螺的重量、尺寸和转速都经过了精确的设计和计算。

“飞天梦，永不失重，科学梦，张力无限。”2013 年6 月20 日神舟十号航天员首次太空授课，王亚平用以结尾的这句话至今仍在九天回响。一堂堂奇幻而严谨的空中科学课，激励无数学子仰望星空，脚踏实地，弘扬航天精神，去拥抱星辰大海！