這是中國(guó)航天員首次在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行授課。

9月21日下午，“天宮課堂”第四課正式開講。神舟十六號(hào)航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在軌面向全國(guó)青少年進(jìn)行太空科普授課。這是空間站任務(wù)以來，我國(guó)航天員第四次面向廣大青少年開展的“天宮課堂”太空授課活動(dòng)，這也是中國(guó)航天員首次在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行授課。

在本次太空授課活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，指令長(zhǎng)景海鵬擔(dān)任“攝像”，航天員朱楊柱、桂海潮分工操作，三人配合演示了球形火焰、奇妙“乒乓球”、動(dòng)量守恒以及又見陀螺四個(gè)實(shí)驗(yàn)。

四個(gè)實(shí)驗(yàn)反映了哪些物理原理？這背后都有哪些知識(shí)點(diǎn)？此次太空授課活動(dòng)取得圓滿成功后，新京報(bào)記者采訪了北京大學(xué)物理學(xué)院黨委副書記、教授穆良柱，就本次太空授課活動(dòng)進(jìn)行解讀。

與地面不同，空間站中蠟燭火焰近似球形

在夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，朱楊柱取出蠟燭，桂海潮劃燃火柴點(diǎn)燃了它。與地面課堂老師點(diǎn)燃的蠟燭相比，空間站中燃燒的蠟燭火焰呈現(xiàn)藍(lán)色，形狀近似球形。在微重力環(huán)境下，蠟燭燃燒產(chǎn)生了球形火焰。

穆良柱告訴新京報(bào)記者，在地球表面附近，點(diǎn)燃蠟燭可以看到持續(xù)燃燒的淚滴狀明亮火焰。能夠燃燒是因?yàn)槭炇軣崞蠛涂諝庵械难鯕饣旌先紵?/p>

而之所以能持續(xù)，是因?yàn)樵诘乇碇亓Νh(huán)境下，燃燒的火焰以及周邊被加熱的空氣熱膨脹后密度變小，形成上升氣流，就像熱氣球上升一樣，這樣周邊的空氣就會(huì)從火焰底端流入補(bǔ)充，整體形成對(duì)流，所以氧氣就能源源不斷地輸入，形成持續(xù)的燃燒。

燃燒產(chǎn)生火焰，由于對(duì)流中上升氣流的影響，火焰會(huì)被向上拉升，形成淚滴狀，對(duì)流較快時(shí)，火苗會(huì)被拉得細(xì)長(zhǎng)。由于流入的氧氣充足，石蠟蒸汽可以充分燃燒，根據(jù)燃燒程度的不同，火焰分為焰心、內(nèi)焰、外焰，焰心燃燒程度最低，溫度也較低，偏暗藍(lán)色，內(nèi)焰燃燒程度較高，溫度也較高，偏暗紅色，外焰燃燒最充分，溫度最高，看起來是亮黃色。

他進(jìn)一步解釋，在微重力環(huán)境下，蠟燭燃燒時(shí)無法形成空氣的對(duì)流，所以燃燒后的火焰只能向四周擴(kuò)散形成球形火焰，就像吹氣球一樣。這種情況下氧氣只能通過擴(kuò)散從火焰外部進(jìn)入內(nèi)部，不能充分地補(bǔ)充到石蠟蒸汽中，所以燃燒程度較低，燃燒過程變得緩慢，燃燒產(chǎn)物也會(huì)發(fā)生變化，火焰溫度低，看起來暗淡，顏色偏藍(lán)。在太空站實(shí)驗(yàn)里看到的正是這樣的現(xiàn)象。

“微重力環(huán)境燃燒的研究給了我們一個(gè)新的方法來控制燃燒過程，對(duì)我們充分了解燃燒的機(jī)制有重要意義。”穆良柱說。

在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，水球被毛巾包好的球拍彈開了

課上，朱楊柱用水袋做了一顆水球。桂海潮取出一個(gè)普通的乒乓球拍，水球擊打球拍后，水球粘在球拍表面上。而水球擊打在毛巾包好的球拍上，水球被彈開了。

9月21日，天宮課堂第四課開講，航天員桂海潮在太空用水球打“乒乓球”。（視頻截圖）中國(guó)載人航天工程辦公室供圖

據(jù)穆良柱介紹，水球的形成是因?yàn)樗谋砻媾c內(nèi)部性質(zhì)不同，表面水分子數(shù)密度比內(nèi)部的小，水分子之間有明顯的相互吸引力，像是一層繃緊的膜，由于這層膜的收縮，會(huì)導(dǎo)致固定體積的情況下水的表面積要盡量小，沒有重力影響時(shí)就形成了球形，像是裝滿了水的氣球，有重力時(shí)，會(huì)擠壓水球形成圓餅形，類似荷葉表面的水滴。

毛巾的疏水表面類似于荷葉表面，水與其接觸時(shí)可以輕松滑落，而不會(huì)粘在上面，疏水表面一般也是通過模仿荷葉表面的微納結(jié)構(gòu)來制備的。這樣我們就能理解疏水表面輕輕擊打水球時(shí)，就像擊打一個(gè)裝滿了水的氣球一樣，水球會(huì)變形被彈開，之后再恢復(fù)成球形。

鋼球碰撞體現(xiàn)牛頓第二定律

夢(mèng)天氣閘艙艙門貼了一張標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格布，在網(wǎng)格布前，桂海潮用手中鋼球，對(duì)準(zhǔn)一個(gè)靜止的鋼球，拋了出去。碰撞后，鋼球的軌跡發(fā)生了變化。

穆良柱稱，微重力環(huán)境下，兩個(gè)不同質(zhì)量鋼球碰撞前后各自的動(dòng)量發(fā)生變化，但碰撞前總的動(dòng)量和碰撞后總的動(dòng)量是不變的。

鋼球的動(dòng)量一般定義為質(zhì)量乘以速度，這是用來描述鋼球平動(dòng)狀態(tài)的物理量，想要改變其動(dòng)量，需要施加力的作用，這就是牛頓第二定律所描述的規(guī)律。

9月21日，在北京航空航天大學(xué)，學(xué)生收看“天宮課堂”第四課。新華社記者 鞠煥宗 攝

對(duì)于兩個(gè)鋼球，如果將其視為一個(gè)整體，總的動(dòng)量就描述了整體的平動(dòng)狀態(tài)，想要改變總動(dòng)量，兩個(gè)小球受到的總力就不能為零。

他告訴記者，微重力環(huán)境下，碰撞前，兩個(gè)鋼球各自受力幾乎都為零，所以都保持自己的動(dòng)量不變，也就是平動(dòng)狀態(tài)不變，相互碰撞時(shí)，每個(gè)鋼球都受到另一個(gè)鋼球的撞擊，所以各自的動(dòng)量都發(fā)生了變化，也就是平動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，碰撞后每個(gè)鋼球受力又幾乎為零，所以保持碰撞后的動(dòng)量不變，也就是保持碰撞后的平動(dòng)狀態(tài)。

由于鋼球碰撞時(shí)，各自的受力是一對(duì)相互作用力，加在一起的求和結(jié)果為零，并不改變兩個(gè)鋼球總體的動(dòng)量，所以碰撞前的總體平動(dòng)狀態(tài)和碰撞后的總體平動(dòng)狀態(tài)保持不變。

桂海潮借助陀螺再現(xiàn)“太空轉(zhuǎn)身”

在此次太空授課中，桂海潮利用金屬陀螺展示靜止及旋轉(zhuǎn)情況下的角動(dòng)量守恒現(xiàn)象，再現(xiàn)“太空轉(zhuǎn)身”。

記者注意到，這個(gè)陀螺可以縱向旋轉(zhuǎn)，飄在空中的桂海潮先握住靜止陀螺的兩側(cè)握柄，在一系列動(dòng)作后，身體姿態(tài)并沒有變化。而當(dāng)朱楊柱讓陀螺快速轉(zhuǎn)動(dòng)起來后，再做出同樣動(dòng)作的桂海潮，身體明顯發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。

穆良柱解釋，物體的運(yùn)動(dòng)除了有平動(dòng)之外，還可以轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)和角度有關(guān)，所以一般用角動(dòng)量來描述物體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，角動(dòng)量的改變需要力矩，沒有力矩時(shí)角動(dòng)量保持守恒，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)保持不變。

當(dāng)靜止的桂海潮握住靜止陀螺的兩側(cè)時(shí)，人和陀螺都沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，總角動(dòng)量為零。微重力環(huán)境下，桂海潮做各種動(dòng)作時(shí)，人和陀螺整體所受的力矩為零，所以總角動(dòng)量不變，仍然為零，這樣陀螺和人最后都沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)陀螺快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就有了角動(dòng)量，這時(shí)盡管人沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，但人和陀螺的總角動(dòng)量不為零。微重力環(huán)境下，桂海潮做各種動(dòng)作時(shí)，人和陀螺整體所受的力矩仍然為零，所以總角動(dòng)量仍然不變。而陀螺受到的力矩不為零，所以陀螺的角動(dòng)量發(fā)生了變化，也就是轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。但由于整體的角動(dòng)量保持不變，所以人的角動(dòng)量必然要發(fā)生變化，也就是人要轉(zhuǎn)動(dòng)。