这是中国航天员首次在梦天实验舱内进行授课。

9月21日下午，“天宫课堂”第四课正式开讲。神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮在轨面向全国青少年进行太空科普授课。这是空间站任务以来，我国航天员第四次面向广大青少年开展的“天宫课堂”太空授课活动，这也是中国航天员首次在梦天实验舱内进行授课。

在本次太空授课活动的实验中，指令长景海鹏担任“摄像”，航天员朱杨柱、桂海潮分工操作，三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四个实验。

四个实验反映了哪些物理原理？这背后都有哪些知识点？此次太空授课活动取得圆满成功后，新京报记者采访了北京大学物理学院党委副书记、教授穆良柱，就本次太空授课活动进行解读。

与地面不同，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，桂海潮划燃火柴点燃了它。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现蓝色，形状近似球形。在微重力环境下，蜡烛燃烧产生了球形火焰。

穆良柱告诉新京报记者，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。能够燃烧是因为石蜡受热汽化后和空气中的氧气混合燃烧。

而之所以能持续，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，就像热气球上升一样，这样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，形成持续的燃烧。

燃烧产生火焰，由于对流中上升气流的影响，火焰会被向上拉升，形成泪滴状，对流较快时，火苗会被拉得细长。由于流入的氧气充足，石蜡蒸汽可以充分燃烧，根据燃烧程度的不同，火焰分为焰心、内焰、外焰，焰心燃烧程度最低，温度也较低，偏暗蓝色，内焰燃烧程度较高，温度也较高，偏暗红色，外焰燃烧最充分，温度最高，看起来是亮黄色。

他进一步解释，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扩散从火焰外部进入内部，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，看起来暗淡，颜色偏蓝。在太空站实验里看到的正是这样的现象。

“微重力环境燃烧的研究给了我们一个新的方法来控制燃烧过程，对我们充分了解燃烧的机制有重要意义。”穆良柱说。

在实验舱内，水球被毛巾包好的球拍弹开了

课上，朱杨柱用水袋做了一颗水球。桂海潮取出一个普通的乒乓球拍，水球击打球拍后，水球粘在球拍表面上。而水球击打在毛巾包好的球拍上，水球被弹开了。

9月21日，天宫课堂第四课开讲，航天员桂海潮在太空用水球打“乒乓球”。（视频截图）中国载人航天工程办公室供图

据穆良柱介绍，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的小，水分子之间有明显的相互吸引力，像是一层绷紧的膜，由于这层膜的收缩，会导致固定体积的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，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击打水球时，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。

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，桂海潮用手中钢球，对准一个静止的钢球，抛了出去。碰撞后，钢球的轨迹发生了变化。

穆良柱称，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乘以速度，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。

9月21日，在北京航空航天大学，学生收看“天宫课堂”第四课。新华社记者鞠焕宗摄

对于两个钢球，如果将其视为一个整体，总的动量就描述了整体的平动状态，想要改变总动量，两个小球受到的总力就不能为零。

他告诉记者，微重力环境下，碰撞前，两个钢球各自受力几乎都为零，所以都保持自己的动量不变，也就是平动状态不变，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。

由于钢球碰撞时，各自的受力是一对相互作用力，加在一起的求和结果为零，并不改变两个钢球总体的动量，所以碰撞前的总体平动状态和碰撞后的总体平动状态保持不变。

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”。

记者注意到，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的两侧握柄，在一系列动作后，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。

穆良柱解释，物体的运动除了有平动之外，还可以转动，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守恒，也就是转动状态保持不变。

当静止的桂海潮握住静止陀螺的两侧时，人和陀螺都没有转动，总角动量为零。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为零，所以总角动量不变，仍然为零，这样陀螺和人最后都没有转动。

当陀螺快速转动时就有了角动量，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。而陀螺受到的力矩不为零，所以陀螺的角动量发生了变化，也就是转动状态发生了变化。但由于整体的角动量保持不变，所以人的角动量必然要发生变化，也就是人要转动。