9月21日下午，“天工課堂”第四課正式開始。 神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海超在軌為全國青少年教授太空科普知識。 這是空間站任務(wù)以來，中國航天員第四次開展面向青少年的“天宮課堂”太空教學(xué)活動。 這也是中國航天員首次在夢天實驗艙授課。
在本次航天教學(xué)活動實驗中，景海鵬指揮員擔(dān)任“攝像頭”，航天員朱陽柱、桂海超分工。 三人共同展示了球形火焰、神奇“乒乓球”、動量守恒和重見天日。 四個陀螺實驗。
這四個實驗反映了什么物理原理？ 這背后有哪些知識呢？ 本次航天教學(xué)活動取得圓滿成功后，新京報記者采訪了北京大學(xué)物理學(xué)院黨委副書記、教授穆良洙，解讀本次航天教學(xué)活動。
與地面不同，空間站中的蠟燭火焰近似球形
蒙天實驗艙內(nèi)，朱陽柱拿出蠟燭，用火柴點燃。 與地面上課堂老師點燃的蠟燭相比，空間站中燃燒的蠟燭火焰呈藍(lán)色，形狀近似球形。 在微重力環(huán)境中，蠟燭燃燒產(chǎn)生球形火焰。
穆良洙告訴新京報記者，在地球表面附近，如果點燃蠟燭，就能看到明亮的、淚滴狀的火焰，在持續(xù)燃燒。 它之所以能燃燒，是因為石蠟受熱時氣化，與空氣中的氧氣混合而燃燒。
之所以能夠持續(xù)，是因為在地表重力環(huán)境下，燃燒的火焰與周圍受熱的空氣一起熱膨脹，密度變小，形成上升氣流，就像熱氣球上升一樣，使周圍的空氣從火焰中流出。火焰底部。 補充流入，整體形成對流，于是氧氣不斷輸入，形成連續(xù)燃燒。
燃燒產(chǎn)生火焰。 由于對流中上升氣流的影響，火焰會被向上拉，形成淚滴形狀。 當(dāng)對流快時，火焰會被拉伸、拉長。 由于氧氣充足流入，石蠟蒸氣得以充分燃燒。 根據(jù)燃燒程度的不同，火焰分為焰芯、內(nèi)焰、外焰。 火焰中心燃燒程度最低，溫度也較低，呈深藍(lán)色，內(nèi)火焰燃燒程度最低。 越高，溫度也越高，呈深紅色，外焰燃燒最充分，溫度最高，看上去呈鮮黃色。
他進(jìn)一步解釋說，在微重力環(huán)境下，蠟燭燃燒時無法形成空氣對流，因此燃燒的火焰只能向四周擴散，形成球形火焰，就像吹氣球一樣。 在這種情況下，氧氣只能通過擴散從火焰外部進(jìn)入內(nèi)部，無法充分補充到石蠟蒸氣中，因此燃燒程度低，燃燒過程變慢，燃燒產(chǎn)物也會發(fā)生變化，火焰溫度低，看起來暗淡。 ，顏色為藍(lán)色。 這正是我們在空間站實驗中看到的。
“微重力環(huán)境下燃燒的研究為我們提供了控制燃燒過程的新方法，對于我們?nèi)媪私馊紵龣C理具有重要意義。” 穆良洙說道。
在實驗艙里，水球被毛巾包裹的球拍彈起。
課堂上，朱陽柱用水袋做了一個水氣球。 桂海潮拿出一個普通的乒乓球拍。 水球擊中球拍后，水球粘在球拍表面。 水球擊中了裹著毛巾的球拍，彈開了。
9月21日，天宮課堂第四節(jié)課開始，航天員桂海超在太空打水球“乒乓球”。 （視頻截圖）中國載人航天工程辦公室供圖
穆良洙認(rèn)為，水球的形成是因為水的表面和內(nèi)部性質(zhì)不同。 表面的水分子數(shù)密度小于內(nèi)部的水分子數(shù)密度。 水分子之間有明顯的相互吸引力，就像一層緊密的薄膜。 由于這種膜的收縮會導(dǎo)致水的表面積在固定體積下盡可能小。 當(dāng)沒有重力影響時，它會形成球形，就像一個充滿水的氣球。 當(dāng)有重力時，水氣球會受到擠壓，形成圓餅形狀。 類似荷葉表面的水滴。
毛巾的疏水表面類似于荷葉的表面。 當(dāng)水接觸到它時，它很容易滑落而不會粘在上面。 疏水表面一般是仿荷葉表面的微納結(jié)構(gòu)制備的。 這樣我們就可以理解，當(dāng)疏水性表面輕輕撞擊水氣球時，就像撞擊一個裝滿水的氣球一樣。 水氣球會變形并彈開，然后恢復(fù)到球形。
鋼球的碰撞體現(xiàn)了牛頓第二定律
孟氣象鎖艙的門上貼了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)布。 網(wǎng)布前，桂海潮將手中的鋼球?qū)?zhǔn)了一顆靜止不動的鋼球，扔了出去。 碰撞后，鋼球的運動軌跡發(fā)生變化。
穆良洙表示，在微重力環(huán)境下，兩個不同質(zhì)量的鋼球在碰撞前后動量發(fā)生變化，但碰撞前的總動量和碰撞后的總動量保持不變。
鋼球的動量通常定義為質(zhì)量乘以速度。 這是用來描述鋼球的平動狀態(tài)的物理量。 要改變其動量，需要施加力。 這就是牛頓第二定律所描述的定律。
9月21日，在北航碰撞時角動量守恒，學(xué)生們觀看“天宮課堂”第四課。新華社記者 鞠煥宗 攝
對于兩個鋼球，如果將它們視為一個整體，則總動量描述了整體的平動狀態(tài)。 如果要改變總動量，兩個小球所受的總力就不能為零。
他告訴記者，在微重力環(huán)境下，碰撞前，兩個鋼球所受的力幾乎為零，因此它們都保持動量不變，即平移狀態(tài)不變。 當(dāng)它們相互碰撞時，每個鋼球在被另一個鋼球撞擊后，各自的動量發(fā)生了變化，即平移狀態(tài)發(fā)生了變化。 碰撞后，每個鋼球所受的力幾乎為零，因此碰撞后的動量保持不變，即保持碰撞后的平移狀態(tài)。
由于鋼球碰撞時，各自的力是一對相互作用力，相加結(jié)果為零，不會改變兩個鋼球的整體動量。 因此，碰撞前的整體平動狀態(tài)和碰撞后的整體平動狀態(tài)保持不變。
桂海超用陀螺儀再現(xiàn)“空間轉(zhuǎn)向”
在本次空間講座中，桂海潮用金屬陀螺儀演示了靜止和旋轉(zhuǎn)時的角動量守恒，再現(xiàn)了“空間的轉(zhuǎn)動”。
記者注意到，這個陀螺可以垂直旋轉(zhuǎn)。 漂浮在空中的桂海潮先是握住了固定陀螺兩側(cè)的把手。 一系列的動作之后，他的身體姿勢卻沒有任何變化。 當(dāng)朱陽柱快速做出上旋的時候，桂海潮做出同樣的動作時，身體也明顯發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。
穆良洙解釋說碰撞時角動量守恒，物體的運動除了平移之外，還可以旋轉(zhuǎn)。 由于旋轉(zhuǎn)與角度有關(guān)，因此一般用角動量來描述物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。 角動量的變化需要扭矩。 當(dāng)沒有扭矩時，角動量仍然存在。 守恒，即旋轉(zhuǎn)狀態(tài)保持不變。
當(dāng)靜止的潮汐波抓住靜止陀螺的側(cè)面時，人和陀螺都不旋轉(zhuǎn)，總角動量為零。 在微重力環(huán)境下，桂海潮做出各種動作時，人和陀螺儀整體所經(jīng)歷的力矩為零，因此總角動量不變，保持為零，從而使陀螺儀和人體在微重力環(huán)境下不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。結(jié)尾。
當(dāng)陀螺快速旋轉(zhuǎn)時，就有角動量。 雖然人沒有旋轉(zhuǎn)，但人和陀螺的總角動量不為零。 在微重力環(huán)境下，當(dāng)桂海潮進(jìn)行各種運動時，人和陀螺儀整體上的力矩仍然為零，因此總角動量保持不變。 陀螺儀上的扭矩不為零，因此陀螺儀的角動量發(fā)生變化，即旋轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)生變化。 但由于整體角動量保持不變，所以人的角動量一定會改變，即人一定會旋轉(zhuǎn)。
