初探中国首次太空课堂的物理原理

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1、初探中国首次太空课堂的物理原理　　2013年6月20日上午十时，这是一个激动人心的时刻，中国首次在神舟飞船上进行太空授课，这是中国有史以来最大的科普课，极大激发了青少年的科学热情、想象力和对科学的崇尚，会引导更多青少年热爱科学、追求科学、献身科学.　　王亚平这次授课内容很神奇，因为这些实验只有在失重环境下才能做出来.学生观看后对神奇的物理现象留下了深刻的印象，但对其中的物理原理还是似懂非懂.本文简单阐述各种现象的原理，供学生们再学习，旨在让学生不仅知其然更知其所以然.　　1天地沟通　　10时11分，北京航天飞行控制中心报告，已建立与航天员的双向通信链路

2、.神舟十号航天员的身影清晰呈现在大屏幕上，他们挥手向同学们问好，实现了天地沟通.　　神舟十号和天宫一号飞行高度只有300多公里，速度比地球自转快很多.在其运动轨迹中，只有很小一部分能够与地面卫星接收站建立稳定数据传输.也就是说，一个地面测控站只有2%-3%左右的时间，能够看到神舟十号，并和它对话.要想再次和它对话，得等神十再绕地球一圈，直至我们能“看”到它.所以每次通话时间很短，这样就不能太空授课.解决的办法就是建立中继卫星系统.　　2008年4月25日，首星“天链一号01星”6成功发射；2011年7月11日，“天链一号02星”成功发射；2012年7月

3、25日“天链一号03星”成功发射，经过一段时间系统调试后，三星实现了全球组网，中国正式建成第一代中继卫星系统.在央视太空授课的直播中，右上角常会出现“天链”字眼，表示信号来自“天链一号”卫星的转发.而“南亚”、“喀什”和“远望”等字眼分别表示南亚巴基斯坦的卡拉奇测控站、中国新疆的喀什测控站和海上的远望系列测控船.　　利用高等数学重积分可以推导，一颗通讯卫星约能够覆盖地球表面积的42.5%，为此，三颗同步卫星能够覆盖全球，如图1所示.这样，无论神十与天宫一号组合体在什么位置运行，在它上方至少被一颗天链一号所覆盖，由于三颗组网形成系统实现数据双向互通，它们

4、再将数据传输给地面测控站（我国地面测控站共23个，其中国内15个固定测控站，4搜海上移动测控站，另外在海外还建有4个测控站），地面测控站将数据传输给北京飞行控制中心，再经过技术处理传输给央视直播信号.　　2失重实验　　2.1质量的测量　　国际单位制（SI）的几个主要基本物理量――质量（kg）、长度（m）、电流（A）、时间（s）、温度（K）之中，只有质量无法在微重力环境下使用地面的常规方法直接测出.　　在天空一号，有一样专门的“质量测量仪”.指令长聂海胜将自己固定在支架一端，王亚平讲连接运动机构的弹簧拉到指定位置.松手后，拉力使弹簧回到初始位置.LED屏

5、显示质量：74kg.　　这个实验设计，王亚平解释：“其实，就是牛顿第二定律F=ma.”6如图2，图3.这个实验原理看起来简单，但是实际设计对于力F和加速度a的测量并不容易.　　产生拉力的器件不是简易弹簧，也不是胡克定律F=kx对应的变力.而是要用到一种恒力机构――弹簧凸轮机构，利用它可以产生恒定的拉力，牵引物体的运动.其实质是一个恒力矩机构，利用弹簧凸轮在转轴上产生恒定力矩，恒力矩通过与凸轮同轴的圆形转轮（力臂不变）向外输出恒定拉力.结构如下图4所示.　　对于加速度的测量，有很多加速度传感器.但是在航空领域中选用，理所当然会选择最灵巧的光栅加速度传感器

6、.在正常工作过程中，光纤光栅在弹性范围内受力，可简化为弹性系数为k1的弹性体，板簧可以简化为弹性系数为k2的弹簧，L形悬臂梁可以简化为L形的杠杆，则光纤光栅加速度传感器的力学模型如图5所示.从其力学模型可知，质量块在外界加速度的作用下产生惯性力，惯性力经L形杠杆放大后传递到光纤光栅使其轴向应变发生变化，从而使光纤光栅的反射波长发生漂移，因此通过检测波长的漂移量就可以获得外界的加速度大小.　　在太空中，还有什么办法可以测质量？这是航天员王亚平留给学生的问题.貌似暗示了可以利用弹簧振子T=2πm1k原理，如果可行，这个测量结果的精确性值得商榷.　　2.2陀

7、螺运动6　　王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬放在空中.用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着飞向远处.紧接着，她又取出一个一模一样的陀螺，让它旋转起来，悬浮在半空中，再用手轻轻一推，旋转的陀螺不再翻滚，而是保持着固定的轴向前飞去.　　这两者的对比用到了陀螺高速旋转时定轴性原理.何为定轴性？下面用玩具陀螺做一个简单实验，如图6.取一块光滑的木板，使玩具陀螺在它上面高速旋转.当把木板顺时针，逆时针旋转，陀螺依旧旋转，转轴仍然竖直向上.如果把陀螺抛向空中，它的转轴方向也不会改变.这种保持转动轴线方向不变的特性叫定轴性.　　在日常生活中，我们也经常用到.例如骑自行车，有经

8、验人都知道，只有在车轮子转起来以后才容易上车.轮子转得越快越不容易倒.　　高速转动的物体为什么