中学物理的单摆测速,用现代技术怎么测量小球摆到最低
发布网友
发布时间：2022-05-07 03:25
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-13 14:24
镜头一：漂浮亮相
10时11分，神舟十号航天员的身影清晰出现在中国人民大学附属中学报告厅大屏幕上。作为太空授课的“地面课堂”，330多位师生在这里亲身经历与神十航天员天地连线。
王亚平鱼儿一般向舱内摄像机游来，她是本次授课的主讲。指令长聂海胜则当起了“助教”，负责配合“主讲”管理教具，维护课堂秩序。航天员张晓光是这次授课任务的摄像师，在失重环境下不易保持自身平衡，他要先用束缚带把自己固定在舱壁上，再用手持摄像机保持长时间稳定拍摄。
为了更好展示太空失重状态，指令长聂海胜盘起腿，玩起了“悬空打坐”。王亚平用手指轻轻一推，聂海胜摇摇晃晃向远处飘去。
掌声和欢笑声在地面课堂响起。
镜头二：太空称重
航天员的表演给同学们带来了疑问：在地面上，人们一般用天平、台秤、托盘秤、杆秤、弹簧秤测量物体的质量。那么，失重环境下，太空中航天员想要知道自己是胖了还是瘦了，该怎么办呢？“质量测量仪”派上了用场，这是从天宫一号舱壁上打开的一个支架形状装置。聂海胜把自己固定在支架一端，王亚平轻轻拉开支架，一放手，支架便在弹簧的作用下回复原位。测量结果表明，聂海胜的质量是74千克。
王亚平解释说，天宫中的质量测量仪，应用的是牛顿第二运动定律：物体受到的力等于它的质量×加速度。实验中设计了一个弹簧能够产生一个恒定的力，还设计了一个系统测出加速度，然后根据牛顿第二定律就可以算出身体的质量了。
○专家解读：这个实验生动地说明了牛顿第二定律的基本原理——“物体加速度的大小跟物体受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比”。这是一个在一切惯性空间内普遍适用的基本物理定律，不因物体的引力环境、运动速度而改变，因此在太空和地面都是成立的。天宫一号里的质量测量仪直接运用了牛顿第二定律，利用作用力和物体加速度的关系确定物体的质量。
镜头三：神奇单摆
T型支架上，用细绳拴着一颗明*的小钢球。王亚平把小球轻轻拉升到一定位置放手，小球并没有出现地面上常见的往复摆动，而是停在了半空中。王亚平用手指沿切线方向轻推小球，奇妙的现象出现了：小球开始绕着T型支架的轴心做圆周运动——而在地面对比试验中，需要施加足够的力，给小球一个较大的初速度，才能使它绕轴旋转。
*附中早培班学生徐海博提问道：“航天员老师，您在太空中有没有上下方位感？”
在聂海胜的帮助下，王亚平以一套“杂技”动作解答了同学的疑惑：先是悬空横卧空，紧跟着又倒立起来。
王亚平说，在太空中，我们自身的感觉在方位上是无所谓，无论我们的头朝向哪个方向，自身的感觉都是一样的，不过生活在太空中，我们也人为定义了上和下，并且把朝向地球的一侧作为下方，并铺设了地板。
○专家解读：实验中小球没有来回摆动、而是悬浮或者做圆周运动，是太空中的失重现象导致的。在地面上，一旦松手，在地球重力的作用下，小球会向下运动，而由于小球被细绳连接在支架上，它就会被细绳牵着来回摆动。但太空中没有重力作用，小球只会在原地悬浮。同样因为重力环境的不同，在太空中轻轻推小球一下，小球会在细绳的牵引下做圆周运动。而在地面上，需要给小球足够大的初速度，才能使它克服地球重力的阻碍，实现圆周运动。
镜头四：旋转陀螺
地面上常见的玩具陀螺，在太空中成了好教具。王亚平取出一个红黄相间的陀螺悬在空中，用手轻推陀螺顶部，陀螺翻滚着向前移动。紧接着，她拿出一个相同的陀螺，先旋转起来再悬浮在半空中，这一次用手轻轻一推，旋转的陀螺则不再翻滚，而是保持摇晃着向前奔去。
王亚平介绍说，高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛。在天宫一号目标飞行器上，就装有各式各样的陀螺定向仪，正是有了它们，才能精准地测量航天器的飞行姿态。
○专家解读：转动的陀螺具有定轴性，定轴性遵守角动量守恒原理——在没有外力矩作用的情况下，物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩，由于角动量守恒，旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现，因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量，使其旋转速度逐渐降低，不能很好地保持旋转方向。
镜头五：魔幻水球
王亚平拿起一个航天员饮用水袋，打开止水夹，水并没有倾泻而出。轻挤水袋，在饮水管端口形成了一颗晶莹剔透的水珠，略微抖动水袋，水珠便悬浮在半空中。王亚平笑着说：“如果诗仙李白在天宫里生活，大概就写不出‘飞流直下三千尺’的名句了，因为，失重环境下水不可能飞流直下。”
接着，她把一个金属圈插入装满饮用水的自封袋中，慢慢抽出金属圈，便形成了一个漂亮的水膜。轻轻晃动金属圈，水膜也不会破裂，只是偶尔会甩出几颗小水滴。随后，王亚平又往水膜表面贴上了一片画有中国结图案的塑料片，水膜依然完好。这些在地面难得一见的奇特景象，引起同学们的连声惊叹。
慢慢地向水膜注水，不一会儿，水膜就变成了一个亮晶晶的大水球。用注射器向水球内注入空气，在水球内产生了两个标准的球形气泡，气泡既没有被挤出水球，也没有融合到一起。紧接着，王亚平又用注射器把少许红色液体注入水球，红色液体慢慢扩散开来，晶莹透亮的水球变成了“红灯笼”。
○专家解读：这两个实验均展示了液体表面张力的作用。表面张力现象在日常生活中非常普遍，比如草叶上的露珠、空气中吹出的肥皂泡等。而太空中的液体处于失重状态，表面张力不仅大显身手，还决定了液体表面的形状。
镜头六：太空寄语
奇妙的太空实验结束后，航天员开始回答同学们的问题。
*附中高二年级学生司紫硕询问天宫中的水从何而来，聂海胜回答说：“我们在天宫一号上使用的水都是从地面带来的。在太空中实现资源循环利用是非常重要和有价值的，但这需要先进的技术和复杂的设备，因此在短期飞行采用一次性用水更为经济。我国未来的空间站将采用先进的资源再生和循环利用技术，在天宫一号上也进行了部分相关关键技术试验。”
“您能看到太空垃圾吗？”“能看到UFO吗？”三位航天员一一对问题做出解答后，一堂神奇的太空授课接近尾声。在距地300多千米外的太空上，航天员为同学们送来了寄语——聂海胜说：“愿同学们刻苦学习，增长知识，为‘*’添彩！”张晓光说：“深邃太空，奥秘无穷，探索无止境，让我们共同努力！”王亚平说：“飞天梦永不失重，科学梦张力无限！” （图文均据新华社）
