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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.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”成功发射；2011年7月11日，“天链一号02星”成功发射；2012年7月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，王亚平将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屏显示质量：74 kg.
这个实验设计，王亚平解释：“其实，就是牛顿第二定律F=ma.”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.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=2πmk原理，如果可行，这个测量结果的精确性值得商榷.
2.2陀螺运动
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有定轴性呢？从牛顿第一定律知道，物体在不受其他物体作用时会由于本身的惯性而保持静止或匀速直线运动状态.转动物体能够保持转动轴向不变，是因为它具有转动惯性，这一点与物体作平动或静止不动时具有惯性很相似.平动物体惯性通常用它的质量来量度，质量越大，惯性越大，要改变它的运动状态也就越不容易.物体在转动时也有保持它的转动状态不变的惯性，称为转动惯量.转动物体定轴性的强弱与物体的转速和转动惯量有关.转速越高，转动物体的惯性越大，转动物体的定轴性就越强.
为什么王亚平给旋转的陀螺一个瞬间推力，为什么它不翻滚呢？这要用到角动量守恒来解释.由质点系的角动量定理
ddt∑(r×mv)=∑r×F,
当∑r×F=0时，∑(r×mv)=恒量.
即当外力矩的矢量和为零时, 系统的总角动量守恒, 这就是质点系角动量守恒定律.
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，高速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，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是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.
2.3制作水膜水球
一个金属圈插入饮用水袋并抽出后，形成了一个水膜.这在地面，难以实现，如果水膜竖直放置会因为重力的缘故，呈现上薄下厚的水膜，少许时间后就会破裂，同样，水平放置也会因为重力将水膜四分五裂.
那么，这个水膜结实吗？轻晃金属圈，水膜并未破裂，而是甩出了一个小水滴.这个小水滴呈现为球形，而不同于地面的水滴形.为什么在两种不同的环境下，水滴的形式也呈现出这么大的差异？可以从两个角度解释：
(1)从分子间相互作用力考虑，在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力(也包括排斥力)，因此，液体内部分子受到的分子力合力为零.然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的,如图7，造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体内部.因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象.
(2)从分子势能角度考虑：液体内部分子周围有大量分子，因此，内部分子的分子势能较低.然而，表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的，所以，表面层的分子有较高的分子势能.为了达到低能量的稳定状态，表面层中的分子有向液体内部移动的趋势，从而导致表面层中的分子数量减少，宏观表现为液体表面积减小.
相同体积的水收缩成表面积最小的形状，就是球体.关于这个数学证明，为了便于理解，我们可以借用五个正面体简单说明一下.
表1
形状体积公式表面积公式系数k
四面体V4=212a3S4=3a27.205622
六面体V6=a3S6=a26
八面体V8=23a3S8=23a25.719106
十二面体V12=15 754a3
S12=325 105a25.311614
二十面体V20=15 5512a3
S20=53a25.148349
球V=43πR3S=4πR24.835975
关于上表最后一列说明，表中a为正多面体的边长.
设：体积通式V=k1a3(1)
表面积通式S=k2a2(2)
将两式消去边长a,可以得到S=k23k213v2.
不妨设常数k=k23k21，系数越大说明相同体积的情况下表面积最大，系数越小说明相同体积的情况下表面积最小.
计算结果如上表，纵向分析可知，体积相同情况下，正多面体边数越多表面积越小.为此，我们可以推想多面体边数越多表面积越小，当边数趋于无穷多时就是球体.
更奇迹的时刻：在第二个水膜上，用饮水袋不断注水，水膜很快长成一个晶莹剔透的大水球.水球内有连串的气泡，用针筒取出，水球却不受任何破坏.有同学好奇问：气泡为什么不在浮力的作用下上浮，最后破裂呢？其实浮力的实质是物体上下面受到的压力差，因为在完全失重的情况下，水的压强消失，故没有浮力使气泡上浮.
王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散，水球变成了一枚美丽的“红灯笼”.
结束语在太空舱短短40分钟内，王亚平为我们展示了一系列宇航员在太空中生活的小细节，以及在线回答了全国中小学生一些太空的小疑问.让我们了解微重力环境下物体运动特点，还了解液体表面张力作用，并且加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念理解.我相信，在不久的将来，一定会有更多的人为我们的航天事业发挥出更大的力量，向我们“中国梦 太空梦”的实现奋进！
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.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”成功发射；2011年7月11日，“天链一号02星”成功发射；2012年7月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，王亚平将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屏显示质量：74 kg.
这个实验设计，王亚平解释：“其实，就是牛顿第二定律F=ma.”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.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=2πmk原理，如果可行，这个测量结果的精确性值得商榷.
2.2陀螺运动
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有定轴性呢？从牛顿第一定律知道，物体在不受其他物体作用时会由于本身的惯性而保持静止或匀速直线运动状态.转动物体能够保持转动轴向不变，是因为它具有转动惯性，这一点与物体作平动或静止不动时具有惯性很相似.平动物体惯性通常用它的质量来量度，质量越大，惯性越大，要改变它的运动状态也就越不容易.物体在转动时也有保持它的转动状态不变的惯性，称为转动惯量.转动物体定轴性的强弱与物体的转速和转动惯量有关.转速越高，转动物体的惯性越大，转动物体的定轴性就越强.
为什么王亚平给旋转的陀螺一个瞬间推力，为什么它不翻滚呢？这要用到角动量守恒来解释.由质点系的角动量定理
ddt∑(r×mv)=∑r×F,
当∑r×F=0时，∑(r×mv)=恒量.
即当外力矩的矢量和为零时, 系统的总角动量守恒, 这就是质点系角动量守恒定律.
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，高速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，并不是因为角动量守恒定理不成立，而是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.
2.3制作水膜水球
一个金属圈插入饮用水袋并抽出后，形成了一个水膜.这在地面，难以实现，如果水膜竖直放置会因为重力的缘故，呈现上薄下厚的水膜，少许时间后就会破裂，同样，水平放置也会因为重力将水膜四分五裂.
那么，这个水膜结实吗？轻晃金属圈，水膜并未破裂，而是甩出了一个小水滴.这个小水滴呈现为球形，而不同于地面的水滴形.为什么在两种不同的环境下，水滴的形式也呈现出这么大的差异？可以从两个角度解释：
(1)从分子间相互作用力考虑，在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力(也包括排斥力)，因此，液体内部分子受到的分子力合力为零.然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的,如图7，造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体内部.因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象.
(2)从分子势能角度考虑：液体内部分子周围有大量分子，因此，内部分子的分子势能较低.然而，表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的，所以，表面层的分子有较高的分子势能.为了达到低能量的稳定状态，表面层中的分子有向液体内部移动的趋势，从而导致表面层中的分子数量减少，宏观表现为液体表面积减小.
相同体积的水收缩成表面积最小的形状，就是球体.关于这个数学证明，为了便于理解，我们可以借用五个正面体简单说明一下.
表1
形状体积公式表面积公式系数k
四面体V4=212a3S4=3a27.205622
六面体V6=a3S6=a26
八面体V8=23a3S8=23a25.719106
十二面体V12=15 754a3
S12=325 105a25.311614
二十面体V20=15 5512a3
S20=53a25.148349
球V=43πR3S=4πR24.835975
关于上表最后一列说明，表中a为正多面体的边长.
设：体积通式V=k1a3(1)
表面积通式S=k2a2(2)
将两式消去边长a,可以得到S=k23k213v2.
不妨设常数k=k23k21，系数越大说明相同体积的情况下表面积最大，系数越小说明相同体积的情况下表面积最小.
计算结果如上表，纵向分析可知，体积相同情况下，正多面体边数越多表面积越小.为此，我们可以推想多面体边数越多表面积越小，当边数趋于无穷多时就是球体.
更奇迹的时刻：在第二个水膜上，用饮水袋不断注水，水膜很快长成一个晶莹剔透的大水球.水球内有连串的气泡，用针筒取出，水球却不受任何破坏.有同学好奇问：气泡为什么不在浮力的作用下上浮，最后破裂呢？其实浮力的实质是物体上下面受到的压力差，因为在完全失重的情况下，水的压强消失，故没有浮力使气泡上浮.
王亚平注入红色液体，红色慢慢扩散，水球变成了一枚美丽的“红灯笼”.
结束语在太空舱短短40分钟内，王亚平为我们展示了一系列宇航员在太空中生活的小细节，以及在线回答了全国中小学生一些太空的小疑问.让我们了解微重力环境下物体运动特点，还了解液体表面张力作用，并且加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念理解.我相信，在不久的将来，一定会有更多的人为我们的航天事业发挥出更大的力量，向我们“中国梦 太空梦”的实现奋进！