神奇的图景：天宫一号中的物理实验现象

物理学是探索自然界物质运动规律的科学。自然界中存在许多神奇而美妙的物理现象，让人们感受到物理学的神奇与魅力。2011年9月29日，我国成功发射天宫一号空间站进入运行轨道。在天宫一号实验舱内，宇航员进行了大量的物理实验。由于实验舱在预定轨道上绕地球运行，其重力全部用于提供绕地球做圆周运动的向心力，与地球上重力产生的效果有差异。在此，让我们来看看绕地球运行的天宫一号中存在哪些奇妙的物理现象。

图景1：神奇的“大力神功”

随着科技的进一步发展，我国在航天航空领域有了快速发展，天宫一号空间站发射成功是我国航天科技发展的实证。2013年6月20日，航天员王亚平在天宫一号上给全世界开展了一次特殊的课堂教学展示活动。神奇的是：王亚平轻轻弹了一下聂海胜竟然出现弹飞的现象，这体现了王亚平的“大力神功”。在太空中出现上述现象相对于地面上的人而言是神奇的，这是为什么呢？天宫一号绕地球运行（理解为“匀速圆周运动”），重力等于万有引力全部用来提供做匀速圆周运动的向心力。

在理想状态下，太空中的物体处于完全失重状态，在天宫一号的实验舱内物体都处于“漂浮”状态。在电梯箱的天花板上细绳悬挂的物体受到重力和绳拉力作用，当整个电梯向下时，物体具有一定的加速度（a），根据牛顿第二定律可知，失重状态：视重小于实重，当加速度等于重力加速度时，物体处于完全失重状态（mg-F=ma即F=mg-ma

图景2：精彩的“空翻杂技”

匀速圆周运动是一种特殊的曲线运动，仅在重力场中，细绳拴住的小球从最低点以多大的速度才能通过最高点，从最低点至最高点的过程中只有重力做功，根据动能定理可以求出小球到达最高点的速度，在最高点时重力全部提供向心力可求出小球通过最高点的最小速度。显然，在地球上需要给小球以较大的速度才能让小球通过最高点。在天宫一号空间站中，物体均处于完全失重状态，相当于细绳拴住小球在光滑的水平面上做匀速圆周运动，只需给小球一个较小的速度即可轻易通过最高点。

航天员王亚平在太空课堂教学中，通过两个90°翻转“杂技”表演，宇航员在舱内可以停留在任意位置，人体倒立在空中无不适感觉，可以说在此完全失重环境中不存在所谓的“最高点和最低点”，这些“特技”表演刺激我们的眼球，与地球上的物理现象存在截然不同的表现，激发了学生求知、探索自然的欲望。

图景3：奇妙的“水膜魅力”

液体具有表面张力的效应，主要是在液体表面的液体分子排列比较稀疏、在液体内部分子排列比较密集，在外层液体分子间的距离大于液体内部分子间的距离，此情况下液体分子之间的分子力表现为引力；地球表面由于受重力作用，液体表面张力的实验现象不是太明显。特殊处理过的肥皂泡在阳光的照射下显得五彩斑斓，硬币能漂浮于特制的矿泉水表面上，这些都是地球上表面张力在自然界中的体现，在太空中完全失重的情况下，液体的表面张力“大显神威”。

在太空中制作水膜的流程：将金属圈放入水袋后慢慢取出，金属圈上会形成一层水膜，此水膜表面可吸附物体；来回晃动金属圈可以甩出小水滴。在太空中制作水球的流程：在已经形成的水膜中加水后变成水球，在水球中注入空气形成气泡，形成的两个气泡不会出现融合现象；在水球中注入红色液体，水球变成红色。此次表面张力下的实验现象让学生惊讶不已，激发了他们物理学习的兴趣。正是由于在太空中处于完全失重的状态下，一些在地球上难以实现的精密仪器制造，在太空失重环境下却可以比较容易地实现，比如半导体晶体制作、冷原子钟及卫星导航系统，等等。

图景4：惊奇的“16次日出”

地球绕太阳公转的周期为1年（365天），地球自转周期为一天（24小时），在地球上的人每天可以看到一次日出日落。然而，在天宫一号中的宇航员在24个小时内能看到16次日出的神奇现象。从物理规律视角来看，天宫一号绕地球匀速圆周运动的运行轨道高度为350千米左右（地球半径R≈6 371千米），根据地球对天宫一号的万有引力提供向心力及牛顿第二定律可知，天宫一号绕地球运行的周期为91分钟左右，在地球上的“一天”（24小时）理解为两次日出之间的时间差，则天宫一号上的“一天”只有91分钟而已，我们可以理解为地球上的“一天”相当于天宫一号过去16天，则天宫一号上可以看到16次日出。譬如，在地球表面以第一宇宙的速度（v=7.9千米/秒）发射一颗人造卫星，贴着地球表面作匀速圆周运动成为近地卫星，根据万有引力提供圆周运动的向心力可知，近地卫星绕地球运行的周期为84.5分钟，则地球自转一周24小时内近地卫星绕行17圈，即可出现17次日出。

作者单位|南通市海门证大中学