五、趣味横生的物理课

航天飞机上的玩具

在美国发射的三次航天飞机（STS-51、STS-54D、STS-77）任务中，航天员带了很多玩具上天，里面有上了发条可以在地上跳的老鼠、用弹簧弹出去的青蛙、在圆形轨道上跑的小赛车、可以在水中游泳的机械鱼、发出咔嗒声的玩具、漆球、溜溜球等（图2-36）。你会感到很奇怪吧，怎么航天飞机里还带玩具呢？难道航天员为了排除航天生活中的寂寞，在太空中要玩玩具吗？当然不是，这是NASA特意安排的一项太空实验——“玩具物理学”实验，参加这次实验的主角是一些小学生，航天员只是他们实验中的技术员，承担太空中进行实验的任务。

为什么要安排“玩具物理学”实验呢？别小看这项实验，在太空玩玩具有很多好处。首先，它可以使学生们更好地理解课堂中的知识。在中学的物理课上，老师给同学们介绍牛顿力学原理时，这些力学原理很抽象，很多要凭自己的想象去推导和理解。因此，同学们感到十分枯燥无味，提不起兴趣。牛顿力学中最关键的一个因素是重力，如果能够做一些实验，比较物体在重力作用时和无重力作用时运动状态的不同，不就可以使学生们理解地心引力在其中的作用了吗？可是，老师在课堂上是无法进行这项实验的。因为，在地球上，重力是无处不在的，任何物体和它的运动都无法摆脱重力“控制”，所以我们所看到的物理现象都是重力在其中唱主角，重力将很多现象的本质掩盖了。如果将这些实验搬到太空，在太空重力几乎等于零的座舱中进行实验，不就可以显示出重力的作用了吗？为此，美国在国际空间站和航天飞机上安排了很多理解物理学基本概念的教育实验，将它们录制下来，作为地面学生们学习物理学的参考资料。通过这种生动活泼的物理学课，学生们很容易掌握牛顿力学的三大定律。在太空中用玩具进行实验，让学生们参与，给他们上一次特殊的物理课，也是其中的一项。图2-37为航天员在太空进行赛车实验。

在几次航天飞机飞行任务中，航天员将各种各样的玩具带到太空中，来确定它们在失重环境下的运转与在地球上有何不同。结果他们发现有很大的差别：在太空玩具离开物体表面的速度加快了；在地面上通常是沿着直线移动的玩具在太空中却东飘西飘了；地面上依靠自己动力在空中飞翔或在水中行驶的玩具在太空行动起来不如地面那么容易了……总之，太空中玩具的行为十分特异。

链接　太空中的跳鼠

STS-54航天飞机的航天员黑尔姆斯进行了一个实验，他的手里拿着一个名叫斯达夫的小跳鼠（图2-38）。在地面，将斯达夫上紧发条后，它会在地面上蹦蹦跳跳地前进。但在太空，跳鼠在上紧发条后，立即翻出航天员的手“飞”到空中，在空中飘来飘去，再也不回到地面了。当跳鼠的腿碰到座舱里的笔记本电脑时，就好像刮过一阵清风，对电脑一点影响也没有。为什么会这样呢？这是因为在地球上，跳鼠是有重量的，它向上蹦后，在地心引力的作用下，被拉回地面。碰到地面后，地面产生的反作用力，将它又弹到空中。只要发条的作用还在，跳鼠将一次一次地重复上述动作，于是它就一蹦一跳地前进了。在太空，没有重力作用，跳鼠比一片羽毛还要轻，给它一点力，就会在空中飘起来了，即使碰到电脑，也不会损伤电脑。通过这些玩具实验，可以使科学原理更加有趣和更容易被理解。

将玩具带到太空的另一个目的是为了增加孩子们对学习科学知识的兴趣，从小就开阔他们的思路，培养他们进行科学实验的方法。孩子们在地面用玩具做实验时，只是描述得到什么结果，没有深入地考虑它的科学道理。如果参加太空实验，他们就是一个小科学家，在老师的指导下，他们要自己提出实验的题目、设计实验、预测实验结果和做出最后总结。在具体操作时，老师会让孩子们想象一下，在太空玩玩具会出现什么现象。然后让学生们设计一些实验，将这种实验带到太空，由航天员作为实验人员来完成。太空中的实验可以用录像机拍摄下来（图2-39），也可以通过卫星的遥测系统直接让孩子们看到他们实验的结果。孩子们在观看太空实验时，也可以要求航天员进行一些他们临时想出的操作演示。这样，当他们看到一些意想不到的结果时，他们会感到非常高兴。然后，这些孩子回想他们之前的猜测，判断自己的猜想是对还是错，最后要做出结论。通过太空“玩具物理学”实验，不仅可以增加孩子们的科学知识，使他们对科学实验更感兴趣，还可以使他们掌握一些科研方法，知道应该如何进行实验。可能通过这些实验，在不久的将来，一些科学家就从他们之中产生了。

太空中的航天员像地球上的孩子一样，他们觉得在太空中玩“玩具”比做研究工作更有趣。马里奥·阮考说：“进行太空玩具实验真是令人着魔、有趣和非常愉快。玩具实验可以证明牛顿物理学的概念是正确的。”航天员们对待这些实验都十分认真，他们认为通过这些实验自己也得到不少的收获和乐趣。航天员阮考说：“这项计划的最值得称道的是我收到的来信，来自学生们的信件非常多，我着魔似的阅读他们的信，有一封来信是这样写的：我从来没想到这会变得如此有趣。我现在知道如果我全心全意地想做某件事的话，我就能做到。科学研究就需要有这种精神。”

并不是美国所有小学的学生都可以参加“玩具物理学”实验活动的。参加此活动的小学是经过挑选的，其中最关键的一条是参加的学校必须以前曾培养出过一名航天飞机的航天员。例如，阮考学习过的布朗克斯小学就是其中一个。所以，能够参加此项实验的小学都感到十分自豪，也使其他一些学校更注意培养自己学生对航天知识的兴趣，希望自己学校的学生今后也能成为航天员。

为了培养航天事业的接班人，NASA将在太空进行的“玩具物理学”实验做成一盘名为“太空中的玩具”的录像带，在电视台上播出，并广泛用于学校的教学中，使更多的学生从小就对载人航天感兴趣，立志长大后从事航天研究工作。在不久的将来，可能这些学生中就有很多成为航天工程师、科学家和航天员。

国际空间站上的物理学实验

在国际空间站上也延续了航天飞机的“传统”，进行了太空中玩具的教学演示。空间站上有较大的空间，玩具们可以发挥更大的“表演能力”，尽情地显示自己的运动。2002年，在第5长期考察组驻留空间站时，带了16种玩具上天（图2-40）。航天员们利用空闲时间进行示范和拍摄视频。在国际空间站上除进行了像航天飞机中的太空玩具示范教育外，还针对不同水平的学生，进行了各种物理学示范活动（图2-41）。例如，针对中学生的物理课教学，第5长期考察组在执行任务期间，航天员在太空表演了五种不同的简单物理现象，这些简单的现象可以验证牛顿运动的三大定律，并将它编制成第二部国际空间站的DVD教学节目“太空中的牛顿”。航天员在太空“表演”时，每种现象表演的时间是5分钟，一名航天员一边表演，一边担任“解说员”，从科学的角度来说明为什么在太空失重环境下会出现这些“奇特”的现象，另一名航天员则担任“摄影师”，将整个活动拍摄下来。在地面上，法国、爱尔兰和西班牙的三所学校参与了拍摄地面同样示范的活动，将它们合在一起，就可以制作成十分有趣的牛顿力学教学片。这部DVD教学片被制作成12种语言，分发给欧洲宇航局成员国的中学教师，作为物理课教学用。

链接　航天员在太空表演的五个示范动作

1.示范一：水中的气泡

示范一个透明袋中的空气和水。航天员用空间站上的水再生系统将水充到一个透明袋中，只充到袋容积的一半。然后，通过一个管和袋子的阀门，将袋子的另一半充满空气。航天员示范袋子处于静止状态、在不同方向线性地移动和旋转透明袋、用不同方式挤压袋、摇动袋，观察在这几种不同情况下，袋子里水和空气的变化。

2.示范二：投掷固体物

航天员将一些物体朝不同方向、用不同的力抛出去，示范物体的运动，说明它们在失重环境下自由漂浮、不下落的原因。

3.示范三：自由漂浮的纸球

航天员用静电来吸引漂浮的纸球，方法是摩擦一个绝缘的塑料制品，例如用塑料做的任务标识片，使它产生静电，然后将它靠近一个纸球，通常纸球会被塑料片吸引。然后，航天员轻轻地、逐渐移动塑料片，观察纸球随着塑料片的移动情况。从物理学的观点来看，这时有两个相反的力作用在纸球上，一个是静电的吸引力，另一个是空气的拉力，比较与地面示范时的不同。

4.示范四：滴到固体表面的水

示范水滴到不同材料固体表面时出现的不同相互作用，方法是将少量的水滴到桌面或其他非吸收物体的表面，然后航天员用不同的物体将水推落，观察水是如何被物体吸收或不吸收。

5.示范五：轻质木材滑翔机的飞行

示范一个用轻质木材做成的滑翔机在以下几种情况下飞翔的情况：飞机上配置不同重量的沙袋、不同体位、不同力和方向作用下。

当学生们在学习牛顿三大定律时，如果能观看“太空中的牛顿”这部教学片，比较没有重力的环境下物体运动时出现的“怪异”行为和地面的行为，就很容易理解力在其中的作用，增加学生们学习物理课的兴趣。