中国的航天科学教育与空间探索活动相伴而生。半个多世纪以来，在培养专业人才的同时，航天科学教育逐渐凸显出向公众普及航天科学知识、传播航天科学思想、弘扬航天科学精神的巨大价值。
中国空间站在轨建设之际，航天员的“天宫课堂”正在成为常态。这一切的起点，是2013年6月20日神舟十号乘组航天员在天宫一号空间实验室讲授的那一堂特殊的物理课。其中的精彩内容，让人至今难忘。
我国首次太空授课（图片来源：新华社）
实验一：太空质量测量
由于在微重力环境下，我们无法像地表上那样通过重力测量质量，于是我们就需要借助其他的物理手段，通过牛顿第二定律测量质量就是办法之一。
很多时候，当我们无法直接获得物理量的时候，我们就可以通过物理量之间的关系来间接测得这个物理量，而这也是空间探测的基本思想。
实验二：太空单摆运动
在地面上，支架上的细绳拴着一颗小球构成一个单摆系统。将小球拉起后放手，小球开始往复摆动，运动周期与细绳长度、重力加速度有关。最终，小球在空气阻力作用下停止摆动。但在太空中没有重力影响，拉起小球后放手，小球会停在原位置，不产生摆动；如果用手推一下小球，给小球一个较小的初始速度，小球便可绕着支架轴做圆周运动。而在地面上，如果不给小球一个非常大的初始速度，小球是很难进行圆周运动的。
太空单摆实验（图片来源：CCTV）
实验三：太空陀螺运动
高速旋转陀螺的自转轴轴向在惯性空间中会保持不变。太空中，用手触碰高速旋转的陀螺和静止的陀螺，高速旋转的陀螺虽然会产生轻微晃动，但其自转轴的轴向保持不变，而静止的陀螺则会发生翻滚。可见，高速旋转陀螺的定轴特性在天上和地面上是完全一样的，人们把利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置称为陀螺仪，而陀螺仪也是航天器中一种常用的仪器。
陀螺仪最早应用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。陀螺仪不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为航天器导航控制系统中的一个敏感元件，它能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号，而导航控制系统会根据这些信号完成对航天器的姿态控制和轨道控制。
太空陀螺实验（图片来源：CCTV）
实验四与实验五：水的表面张力
实验四太空制作水膜，和实验五太空制作水球，利用的都是液体的表面张力。在微重力环境下，液体的表面张力很容易被我们观察到。
作用于液体表面、使液体表面积缩小的力，叫液体表面张力。金属圈插入水袋后形成的水膜不会破碎，往水膜表面贴上“中国结”，水膜依然完好。这是在太空失重环境下液体表面张力特性突显的结果。向水膜注水，水膜很快变成一个晶莹剔透的大水球。这样完美的球形只可能存在于微重力环境中，因为在地面上液体表面张力难以抗衡地球引力的影响，水球必然发生形变。
在地球上生产高精度的标准球形历来是工业难题，而在太空中，液体金属靠表面张力，就能自然凝结成毫无瑕疵的球形，可用于制作精密机械轴承。未来随着近地轨道的开发，我们完全可以在太空中利用液体的张力来进行精密部件的生产与研发。
太空水膜、水球实验（图片来源：CCTV）
通过这些实验，有助于青少年在天地环境的差异中加深对质量、重量、牛顿定律等基本物理概念的理解。即将完成建设、在轨运营10年以上的中国空间站，必将构建起更加广阔的科学教育平台。
今天，当普通民众相约拍摄于头顶夜空掠过的中国空间站，当越来越多的青少年把科学和空间探索相关职业作为人生理想，中国发展航天的意义早已超越航天工程本身。
科学审核：王兆魁 清华大学航空宇航工程系主任
责任编辑：王鹏鹏
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