第4次「天宮課堂」下台，北大教授解讀知識點

9月21日下午，「天宮課堂」第四課正式開講。神舟十六號航天員景海鵬、朱楊柱、桂海潮在軌面向全國青少年進行太空科普授課。這是空間站任務以來，我國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，這也是中國航天員首次在夢天實驗艙內進行授課。

在本次太空授課活動的實驗中，指令長景海鵬擔任「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」、動量守恒以及又見陀螺四個實驗。

四個實驗反映了哪些物理原理？這背後都有哪些知識點？此次太空授課活動取得圓滿成功後，新京報記者採訪了北京大學物理學院黨委副書記、教授穆良柱，就本次太空授課活動進行解讀。

與地面不同，空間站中蠟燭火焰近似球形

在夢天實驗艙內，朱楊柱取出蠟燭，桂海潮劃燃火柴點燃了它。與地面課堂老師點燃的蠟燭相比，空間站中燃燒的蠟燭火焰呈現藍色，形狀近似球形。在微重力環境下，蠟燭燃燒產生了球形火焰。

穆良柱告訴新京報記者，在地球表面附近，點燃蠟燭可以看到持續燃燒的淚滴狀明亮火焰。能夠燃燒是因為石蠟受熱汽化後和空氣中的氧氣混合燃燒。

而之所以能持續，是因為在地表重力環境下，燃燒的火焰以及周邊被加熱的空氣熱膨脹後密度變小，形成上升氣流，就像熱氣球上升一樣，這樣周邊的空氣就會從火焰底端流入補充，整體形成對流，所以氧氣就能源源不斷地輸入，形成持續的燃燒。

燃燒產生火焰，由於對流中上升氣流的影響，火焰會被向上拉升，形成淚滴狀，對流較快時，火苗會被拉得細長。由於流入的氧氣充足，石蠟蒸汽可以充分燃燒，根據燃燒程度的不同，火焰分為焰心、內焰、外焰，焰心燃燒程度最低，溫度也較低，偏暗藍色，內焰燃燒程度較高，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。

他進一步解釋，在微重力環境下，蠟燭燃燒時無法形成空氣的對流，所以燃燒後的火焰只能向四周擴散形成球形火焰，就像吹氣球一樣。這種情況下氧氣只能通過擴散從火焰外部進入內部，不能充分地補充到石蠟蒸汽中，所以燃燒程度較低，燃燒過程變得緩慢，燃燒產物也會發生變化，火焰溫度低，看起來暗淡，顏色偏藍。在太空站實驗里看到的正是這樣的現象。

「微重力環境燃燒的研究給了我們一個新的方法來控制燃燒過程，對我們充分瞭解燃燒的機制有重要意義。」穆良柱說。

在實驗艙內，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。桂海潮取出一個普通的乒乓球拍，水球擊打球拍後，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。

據穆良柱介紹，水球的形成是因為水的表面與內部性質不同，表面水分子數密度比內部的小，水分子之間有明顯的相互吸引力，像是一層繃緊的膜，由於這層膜的收縮，會導致固定體積的情況下水的表面積要儘量小，沒有重力影響時就形成了球形，像是裝滿了水的氣球，有重力時，會擠壓水球形成圓餅形，類似荷葉表面的水滴。

毛巾的疏水錶麵類似於荷葉表面，水與其接觸時可以輕鬆滑落，而不會粘在上面，疏水錶面一般也是通過模仿荷葉表面的微納結構來製備的。這樣我們就能理解疏水錶面輕輕擊打水球時，就像擊打一個裝滿了水的氣球一樣，水球會變形被彈開，之後再恢復成球形。

鋼球碰撞體現牛頓第二定律

夢天氣閘艙艙門貼了一張標準網格布，在網格布前，桂海潮用手中鋼球，對準一個靜止的鋼球，拋了出去。碰撞後，鋼球的軌跡發生了變化。

穆良柱稱，微重力環境下，兩個不同質量鋼球碰撞前後各自的動量發生變化，但碰撞前總的動量和碰撞後總的動量是不變的。

鋼球的動量一般定義為質量乘以速度，這是用來描述鋼球平動狀態的物理量，想要改變其動量，需要施加力的作用，這就是牛頓第二定律所描述的規律。

對於兩個鋼球，如果將其視為一個整體，總的動量就描述了整體的平動狀態，想要改變總動量，兩個小球受到的總力就不能為零。

他告訴記者，微重力環境下，碰撞前，兩個鋼球各自受力幾乎都為零，所以都保持自己的動量不變，也就是平動狀態不變，相互碰撞時，每個鋼球都受到另一個鋼球的撞擊，所以各自的動量都發生了變化，也就是平動狀態發生了變化，碰撞後每個鋼球受力又幾乎為零，所以保持碰撞後的動量不變，也就是保持碰撞後的平動狀態。

由於鋼球碰撞時，各自的受力是一對相互作用力，加在一起的求和結果為零，並不改變兩個鋼球總體的動量，所以碰撞前的總體平動狀態和碰撞後的總體平動狀態保持不變。

桂海潮借助陀螺再現「太空轉身」

在此次太空授課中，桂海潮利用金屬陀螺展示靜止及旋轉情況下的角動量守恒現象，再現「太空轉身」。

記者注意到，這個陀螺可以縱向旋轉，飄在空中的桂海潮先握住靜止陀螺的兩側握柄，在一系列動作後，身體姿態並沒有變化。而當朱楊柱讓陀螺快速轉動起來後，再做出同樣動作的桂海潮，身體明顯發生了轉動。

穆良柱解釋，物體的運動除了有平動之外，還可以轉動，由於轉動和角度有關，所以一般用角動量來描述物體的轉動狀態，角動量的改變需要力矩，沒有力矩時角動量保持守恒，也就是轉動狀態保持不變。

當靜止的桂海潮握住靜止陀螺的兩側時，人和陀螺都沒有轉動，總角動量為零。微重力環境下，桂海潮做各種動作時，人和陀螺整體所受的力矩為零，所以總角動量不變，仍然為零，這樣陀螺和人最後都沒有轉動。

當陀螺快速轉動時就有了角動量，這時儘管人沒有轉動，但人和陀螺的總角動量不為零。微重力環境下，桂海潮做各種動作時，人和陀螺整體所受的力矩仍然為零，所以總角動量仍然不變。而陀螺受到的力矩不為零，所以陀螺的角動量發生了變化，也就是轉動狀態發生了變化。但由於整體的角動量保持不變，所以人的角動量必然要發生變化，也就是人要轉動。

新京報記者 張建林

編輯 張磊 校對 楊許麗