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太空中没有重力的原因。
在太空中,地球引力的作用减弱,将会出现很多奇异的现象。在太空的微重力环境下,牛顿的地心引力学说不再是真理了,很多地球上认为正确的物理学现象在太空都不存在了,而且出现了令人难以预料的变化。
在地球上,当你在家里的厨房中,将煮热的蜂蜜倒入盛着水的容器中时,你可以看到蜂蜜在水中慢慢下沉,扭转成弯曲球杆状、细丝状、烟雾状,但是只是持续几秒钟,很快就沉到杯底了。这是由于水和蜂蜜的重量不同,在重力作用下,蜂蜜很快沉到容器的下部。但在空间站上,地球的引力作用几乎完全消失,水和蜂蜜的重量基本相同,那会出现什么现象呢?如果这时你再将煮热的蜂蜜倒到水中,可以看到蜂蜜不再向下沉,而是悬浮在水中,悬浮的时间可达几小时以上。流入水中的蜂蜜丝带,像一个变形虫一样,在那里扭曲、翻转很长的时间,然后慢慢变成谁也想象不到的形状。这是由于液体的结构不同,或两种液体之间存在细微的温度差异,产生了一种可以使液体产生流动的力,在地球上,由于物体的浮力,这种力的作用被掩盖了,但在太空中却突显出它的作用。
王亚平天宫授课都讲了哪些内容?
天宫课堂已经开课两次了,从第一次开课是去年12月9号,最近一次则是几天前的3月23号,期间航员的各种物理小实验讲解和演示实在是引人入胜,除此以外,还有之前的除夕夜现场直播拜年,相信大家还记忆犹新。
你知道吗,其实航天员在天宫号空间站中授课时,空间站并不是在我国领土的正上空的,当时的空间站正在南美洲上空飞过。
虽然空间站的轨道高度约为400千米,但是相对祖国大地来说,就相当于空间站一直处于地平面以下。Wi-Fi信号隔着一堵墙都会信号变弱,这意味着,就算不考虑大气因素,地球的遮挡会导致空间站内的信号变差甚至消失。
可是在授课过程中,我们不但可以看到天空课堂的画面,而且非常的清晰且流畅,几乎就是实时通讯,感觉不到有任何卡顿,那这是如何做到的呢?
对于 地面通讯 来说,比如朋友家人们之间的手机通讯,我们之间发送的信息是通过电磁波,通过各种信号之间的转换,我们所要发送或者接收的信息就从一个地方传输到另一个地方了。但是这样的传输有一个限制,那就是所在的地方需要有信号基站覆盖。
那这些基站之间是如何传输信号的呢?这就要依靠地球的天然发射层了,在地球的上空有一个 厚厚的电离层 。电离层在距离地面100-200千米高度的区间,这个区间可以反射一定波段的电磁波,其中3-30Mhz之间的信号反射效果最佳。
对地面通讯而言,基站发出的信号会在大地和电离层之间不断反射,这样就能将信号传输到远方。因此只要基站的数量足够多,地面通讯信号就能进行无差别覆盖了。
但是天上则不一样,空间站的高度是400千米左右,它发出的信号是无法穿越电离层,到达地球表面的,天宫号的信号会被电离层反射,直接弹到无人的太空中。
就算我们使用特殊波段的信号,使天宫号的信号能够直接穿越电离层,那么信号在到达地面后,也会直接反射再穿越电离层,还是会被弹到无人的太空。根本没法像3-30Mhz的信号一样在地面云电离层之间进行多次反射。
所以,为了实现太空空间站和地面之间的通讯,我们必须想别的方法。基于基站的思路,科学家们提出了“太空基站”的想法,也就是在太空中建设一个能够反射信号的东西,于是“中继卫星”就横空出世了。
地球中继卫星是一种地球静止卫星,这个“静止”是相对的,指它的轨道周期和地球的自转周期完全一致,且随着地球一起公转。中继卫星的运行轨道高度约为3.6万公里,这样的中继卫星相对地面保持静止,假如我们能够在地面上看到它,你会发现它是悬停在空中一动不动的。
中继卫星上天后,就相当于一个太空基站了。空间站发出特殊波的信号,直接被中继卫星接收,然后被中继卫星反射,这股信号就直接穿越大气层,到达地面基站了。这样就不需要考虑电离层的反射作用了。
如果多部署几颗中继卫星,比如说三颗,保证他们处于同一平面且相邻之间的夹角为120度,那么我们就能保证:在任一时刻,空间站的视野内都至少存在一颗中继卫星。三颗中继卫星之间几乎完全处于真空状态,没有任何遮挡,因此只要一颗中继卫星能看到空间站,就相当于三颗中继卫星都看到了空间站。
同理,对地面信号接收基站而言,它的视角里无时无刻都至少有一颗中继卫星,这就意味着地面基站也能随时和三颗中继卫星保持联系。信号就这样经过中继卫星一中转,就相当于空间站随时随地都能和地面保持通讯了。
当然,为了保证信息的传输速度和稳定,中继卫星的数量肯定不能只发射三颗。目前我国在轨的同步轨道 天链中继卫星 一共有7颗,能够轻松覆盖全轨道,所以地面和空间站之间的通信就能即时传输了。
这七颗天链卫星分别是:
天链一号01星(2008-019A);
天链一号02星(2011-032A);
天链一号03星(2012-040A);
天链一号04星(2016-072A);
天链二号01星(2019-017A);
天链二号05星(2021-063A);
天链二号02星(2021-124A)。
在这种全方位无死角覆盖下,哪怕是最极端折腾的情况,信号从空间站到地面,也只需要两颗中继卫星进行接力。
那有人会说了,这么折腾,延时会不会很明显啊?这点完全不用担心,要知道电磁波本质就是光,传输速度也是光速,一秒就能跑30万千米。
因此,电磁波走完 地面——卫星A——卫星B——空间站——卫星B——卫星A——地面 这个全过程,其实连一秒都不需要。之所以延迟是在秒级,这些时间主要都是信号转化阶段浪费的,如果我们能进一步信号的提高转化效率,那延迟时间能够更短。
因此,我们能够直播天宫课堂,都是依靠科学技术的发展,正是有了这些中继卫星,我们才能实现秒级延迟的,与天宫空间站的无障碍交流。
太空授课主要面向中小学生,使其了解失重条件下物体运动的特点、液体表面张力的作用,加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。王亚平在天宫讲解和实验演示。
1、实验(质量测量)
在神州十号,有一样专门的“质量测量仪”。“太空授课”的助教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。这样,就测出了聂海胜的重量——74千克。
揭秘内容:牛顿第二定律
对这个问题,王亚平就有解释,“其实,就是牛顿第二定律F=ma。”也就是,物体受到的力=质量×加速度。如果知道力和加速度,就可算出质量,“弹簧凸轮机构,产生恒定的力。也就是,刚才将助教拉回至初始位置的力。此外,还设计一个光栅测速系统,可测出身体运动的加速度。”
2、实验(单摆运动)
T形支架上,细绳拴着一颗小球。这是物理课上常见的实验装置——单摆。王亚平将小球拉升至一定高度后放掉,小球像着了魔似的,用很慢的速度摆动。随后,王亚平用手指轻推小球,小球开始绕着支架的轴心不停地做圆周运动。
揭秘内容:太空失重
浙大航空航天学院专家:在地面,单摆的运动周期与摆的长度、重力和加速有关。但在失重的状态,没有了回复力,钢球就静止在原始位置。这时,细绳并没有给球拉力。
手推小球,相当于给了小球一个初始速度,同时细绳又给小球提供了拉力,细绳拉力平衡离心力,小球便绕着支架的轴心做圆周运动。如果没有细绳的拉力,小球就做匀速直线运动。而在地面,空气的阻力使物体的速度越来越慢,重力则使物体向下掉。
3、实验(陀螺运动)
王亚平取出一个陀螺,用手轻推,陀螺竟然翻滚着向前,行进路线变幻莫测。随后,她又取出一个陀螺,抽动它后,再用手轻推,陀螺沿着固定的轴向向前飞去。
揭秘内容:角动量守恒
特级教师骆兴高:转动的陀螺具有定轴性。转子的转动惯量愈大,稳定性愈好;转子角速度愈大,稳定性愈好。定轴性遵守角动量守恒定律——在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。
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,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。
4、实验(制作水膜与水球)
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,因为重力会将水膜四分五裂。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。再往水膜表面贴上一片画有中国结图案的塑料片,水膜依然完好。
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。最后,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“红宝石”。
揭秘内容:液体表面张力
液体表面层内分子间存在着的相互吸引力就是表面张力,它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的,在太空与地面液滴产生表面张力的原理都是一样的。失重时,水珠之间没有了重力的挤压,液滴在表面张力的作用下,都形成了最完美的球形。
扩展资料:
讲课背景
2013年6月中旬,中国女航天员王亚平在中国首个目标飞行器天宫一号上为中小学生授课,成为中国首位“太空教师”。为了做好本次科普教育活动,中国载人航天工程办公室联合教育部、中国科协和中央电视台等部门对活动进行了系统、周密的策划。
并完成了课件、教具制作和地面课堂的准备工作,航天员也进行相关训练,本次活动将在组合体运行期间择机进行,具体时间将综合考虑飞行任务安排、航天员作息情况和测控通信等保障条件来最终确定。
讲课意义
作为继美国之后第二个完成太空授课的国家,此次太空授课不仅将提升全民对航天的兴趣,还会从应用上推动天地大容量信息处理产业的发展,而大数据时代的来临将成为天地大容量信息处理产业发展的契机。
同时这也意味着中国已经可以对地外航天器进行至少40分钟的实时监控,这意味中国已经拥有对洲际导弹进行全程的调整和监控能力。
百度百科-太空授课
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