9月21日下午，“天宫课堂”第四课正式开讲。在约48分钟内，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱和桂海潮在轨面向全国青少年进行太空科普授课。3人配合演示了球形火焰、奇妙“乒乓球”、动量守恒以及又见陀螺4个实验。

　　这4个实验反映了哪些物理原理，背后都有哪些知识点呢？

　　实验1 球形火焰

　　——空间站中蜡烛火焰近似球形

　　在梦天实验舱内，朱杨柱取出蜡烛，桂海潮划燃火柴将其点燃。与地面课堂老师点燃的蜡烛相比，空间站中燃烧的蜡烛火焰呈蓝色，形状近似球形。

　　解读：在地球表面附近，点燃蜡烛可以看到持续燃烧的泪滴状明亮火焰。

　　蜡烛之所以能在地表附近持续燃烧，是因为在地表重力环境下，燃烧的火焰以及周边被加热的空气热膨胀后密度变小，形成上升气流，周边的空气就会从火焰底端流入补充，整体形成对流，所以氧气就能源源不断地输入，形成持续燃烧的火焰。

　　在微重力环境下，蜡烛燃烧时无法形成空气的对流，所以燃烧后的火焰只能向四周扩散形成球形火焰，就像吹气球一样。这种情况下，氧气只能通过火焰外部进入内部，不能充分地补充到石蜡蒸汽中，所以燃烧程度较低，燃烧过程变得缓慢，燃烧产物也会发生变化，火焰温度低，颜色暗淡且偏蓝。在太空站实验里看到的正是这样的现象。

　　此外，微重力环境燃烧也给科学家提供了一个控制燃烧过程的新思路。

　　实验2 奇妙“乒乓球”

　　——在实验舱内水球被毛巾包裹的球拍弹开

　　课上，朱杨柱用水袋做了一颗水球，桂海潮取出一块普通的乒乓球拍拍打水球。球拍拍打水球时，水球粘在球拍表面上。而当水球撞击毛巾包裹的球拍时，水球则被弹开了。

　　解读：水球的形成是因为水的表面与内部性质不同，表面水分子数密度比内部低，水分子之间有明显的相互吸引力，像是一层绷紧的膜。这层膜的收缩，会导致固定体积情况下水的表面积要尽量小，没有重力影响时就形成了球形，像是装满了水的气球。有重力时，水分子会挤压水球形成圆饼形，类似荷叶表面的水滴。

　　毛巾的疏水表面类似于荷叶表面，水与其接触时可以轻松滑落，而不会粘在上面，疏水表面一般也是通过模仿荷叶表面的微纳结构来制备的。这样我们就能理解疏水表面轻轻拍打水球时，就像击打一个装满了水的气球一样，水球会变形被弹开，之后再恢复成球形。

　　实验3 动量守恒

　　——钢球碰撞体现牛顿第二定律

　　梦天气闸舱舱门贴了一张标准网格布，在网格布前，桂海潮将手中钢球对准一个静止的钢球抛了出去。不同大小钢球碰撞后，钢球的轨迹发生了不同的变化。

　　解读：微重力环境下，两个不同质量钢球碰撞前后各自的动量发生变化，但碰撞前总的动量和碰撞后总的动量是不变的。

　　钢球的动量一般定义为质量与速度的乘积，这是用来描述钢球平动状态的物理量，想要改变其动量，需要施加力的作用，这就是牛顿第二定律所描述的规律。如果将两个钢球视为一个整体，总的动量就描述了整体的平动状态，想要改变总动量，两个钢球受到的总力就不能为零。

　　微重力环境下，两个钢球相互碰撞时，每个钢球都受到另一个钢球的撞击，所以各自的动量都发生了变化，也就是平动状态发生了变化，碰撞后每个钢球受力又几乎为零，所以保持碰撞后的动量不变，也就是保持碰撞后的平动状态。

　　实验4 又见陀螺

　　——桂海潮借助陀螺再现“太空转身”

　　在此次太空授课中，桂海潮利用金属陀螺展示静止及旋转情况下的角动量守恒现象，再现“太空转身”。

　　这个陀螺可以纵向旋转，飘在空中的桂海潮先握住静止陀螺两侧的握柄，在一系列动作后，桂海潮的身体姿态并没有变化。而当朱杨柱让陀螺快速转动起来后，再做出同样动作的桂海潮，身体明显发生了转动。

　　解读：物体的运动包括平动和转动，由于转动和角度有关，所以一般用角动量来描述物体的转动状态。角动量的改变需要力矩，没有力矩时角动量保持不变，也就是转动状态保持不变。当陀螺快速转动时就产生了角动量，这时尽管人没有转动，但人和陀螺的总角动量不为零。微重力环境下，桂海潮做各种动作时，人和陀螺整体所受的力矩仍然为零，所以总角动量仍然不变。由于整体的角动量保持不变，人的角动量必然要发生变化来抵消陀螺产生的角动量，这也是人发生转动的原因。

　　（本报综合）