太空中上演的神奇實(shí)驗(yàn)（一）

姜桂祥

2013年6月20日上午，“神舟”十號(hào)航天員聶海勝、張曉光、王亞平在遠(yuǎn)離地面約340km的“天宮”一號(hào)上為全國青少年帶來了神奇的太空一課，我國第一位“太空教師”王亞平通過質(zhì)量測(cè)量、單擺運(yùn)動(dòng)、陀螺運(yùn)動(dòng)、水膜和水球等5個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，展示了失重環(huán)境下物體運(yùn)動(dòng)特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并通過視頻通話與地面課堂師生進(jìn)行了互動(dòng)交流，

這些美妙的實(shí)驗(yàn)反映了什么樣的物理原理？天地物理特性的差別給航天飛行帶來什么影響，在航天活動(dòng)中有什么樣的應(yīng)用？今天我們先來看第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：太空質(zhì)量測(cè)量。

在地球表面，由于受到地球引力的作用，物體放在天平的托盤中時(shí)，托盤對(duì)物體的支持力和物體受到的地球引力達(dá)到平衡，當(dāng)天平平衡時(shí)，砝碼與游碼的總質(zhì)量即為物體的質(zhì)量，但在太空中是否可以仍用這種方法進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量呢？

實(shí)驗(yàn)過程：王亞平首先展示了兩支完全一樣的彈簧，它們分別固定有兩個(gè)不同質(zhì)量的物體。畫面顯示，兩個(gè)彈簧平衡在同一位置，無法測(cè)量出物體的質(zhì)量差別，隨后，鏡頭轉(zhuǎn)向“天宮”一號(hào)中用于測(cè)量質(zhì)量的“質(zhì)量測(cè)量儀”，聶海勝把自己固定在支架一端（如圖1），王亞平輕輕拉開支架，一放手，支架在彈簧的作用下回復(fù)原位，LED屏顯示出聶海勝的質(zhì)量為74kg，王亞平解釋說，質(zhì)量測(cè)量儀通過彈簧產(chǎn)生力并測(cè)出力的加速度，然后根據(jù)牛頓第二定律就可以算出質(zhì)量，

專家解讀：這個(gè)實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地說明了牛頓第二定律的基本原理——物體加速度的大小跟物體受到的作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，這是一個(gè)在一切空間內(nèi)普遍適用的基本物理定律，不因物體的引力環(huán)境、運(yùn)動(dòng)速度而改變，因此在太空和地面都是成立的，同學(xué)們?nèi)绻焕斫馀ｎD第二定律，可以只記住一個(gè)簡單的公式：F=ma，只要測(cè)出了力F和加速度a，就可通過此公式的變形公式m=F/a計(jì)算出質(zhì)量m，牛頓第二定律是高中學(xué)習(xí)的內(nèi)容，有興趣的同學(xué)可以看一下高中的課本，想必對(duì)它會(huì)有更好的了解。

點(diǎn)撥：在地球表面，由于受到地球引力的作用。物體的質(zhì)量體現(xiàn)為物體所受的重力，物體懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上時(shí)，彈簧的拉力和物體受到的地球引力達(dá)到平衡，因此可以從彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)中得到物體所受的重力，而在繞地球高速運(yùn)動(dòng)的飛船里，地球引力被飛船的離心力所平衡，飛船內(nèi)部不再有地球引力的影響，也就沒有了重力的概念，因此彈簧測(cè)力計(jì)就沒有讀數(shù)，當(dāng)然就無法用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)物體所受的重力，也就無法求出物體的質(zhì)量。

責(zé)任編輯 蔡華杰