资源简介

校本课程《电影中的物理知识》
课时一：《地心引力》第一课时
一、教学目标：
1.了解太空中宇航员的生活状态，理解完全失重状态
2、了解太空中的环境
3、了解宇航员的生活
二、教学方法：
讲授法
教具：
多媒体
四、授课过程：
【一】新课引入：电影介绍
地心引力是有史以来最贴近现实的太空电影。太空呈现和故事本身都绝对引人入胜，而且是迄今为止3D IMAX媒介的最佳运用。「地心引力」没有将其作为一种噱头，而是真正用来描绘出一个对大多数人而言都完全陌生的逼真环境。
【二】新课教学：
太空中的环境。
低温，极低的温度，约为 -273摄氏度。已非常接近极限低温了。
2、真空，极好的真空，比人类在实验室中制造的最好的真空还要“空”几个数量级。
3、强辐射，对我们人类现在的科技水平来说，这强辐射主要来自我们的太阳。因为恒星都是巨大的热核反应堆，所以伴随着光和热向四周发散的就是强辐射。
4、失重，就是所有物体在外太空都是可以随意漂浮的，当然前提是周围没有大的天体，不会有引力来干扰这失重。
5、空，极空。可能老祖宗早都知道这一点，所以居然用了“太空”这么一个词。外太空天体间的距离很大，以光年计也要成十上百的。
二、卫星和飞船
和地面设备最大的不同是环境不同。一个是在地面，一个是在太空环境。太空环境由于卫星和飞船的不可维修性，所以一旦产生问题时，就会失效，像美国安全飞机第一次爆炸就是由于一个密封圈产生问题，整个飞船爆炸。所以在飞船发射之前，必须要在地面上进行充分的空间环境实验。地面和空间环境，有什么不同？第一，地面是一个大气压，10万帕，太空在400公里的时候，已经到了十的负六帕，700公里是十的负七帕，一个是真空环境，一个是大气环境，所以，我们主要是为了在地面上模拟真空环境，真空环境会使一些材料蒸发、分解、升华等等，但材料要做严格的筛选，提供卫星和飞船进行设计。
第二，太空是3度K，地面是负40度到正40度C，3度K是背着太阳是非常冷，又是非常黑，怎么来模拟3K的环境。第三是太阳辐照，还有怎么模拟微重力，人上天在太空是飘浮的，我们怎么来模拟重力环境。还有原子氧环境，还有电子、质子，等离子体，还有空间碎片，我们主要是研究它的模拟技术，这个环境模拟，一种是物理模拟，模拟真实环境。在地面上造成一个很大的真空容器，把它抽成真空。另外在边上，造成一个冷黑环境，再照上太阳。另外是效应模拟，假如我们的飞船在400公里高空，我们在地面上不需要抽成这么高的真空度进行模拟。因为飞船，它的热设计，也就是说在真空里的热辐射，十的负三帕和十的负六帕的效果是一样，所以我们在地面上是用十的负三帕模拟太空的十的负六帕。但是有的时候，对活动器件，像继电器的触点，必须在十的负七帕的情况下，试验是否冷焊小东西要抽到十的负七帕比较容易。3度K相当于液氦温度，我们的KM6设备是直径12米，高22.4米，周围要都布上液氦板的话代价太高，我们是用液氮温度，在地面造成100度K的液氮温度，用100度K模拟3度K，它的热模拟的误差只有1％。这是什么意思呢？
假如一个飞船的表面是300多K，它的热辐射是4次方的关系，100K模拟3K，他们之间的误差只有1％点几，它的效果是一样的，但是我们不可能很真实的模拟太空环境。这叫效应模拟，还有像航天员模拟微重力，在地面上怎么模拟呢？一个是在飞机，在高空飞行，这种飞行时间很短，我们在地面上建设很大的水槽，航天员放在这个水槽里，航天员加上配重，航天员从太空回来的时候，他认为他的效应相当于太空的微重力环境，航天员进行训练的时候，航天员在太空里进行超过的时候，在地面上是在水槽里进行训练和功能性操作训练的。
三、宇航员在太空中的生活
1、为什么在太空中不能大声说话？科学家还称恐怕有生命危险
太空一直以来都是一个非常神秘的存在，而且是一个相对复杂的环境。虽然我们现在人类能够登上太空，但是对于太空当中很多事情我们了解的还不是那么彻底，要知道在太空当中，一些小小的事情，便有可能引起很严重的后果。尤其是在太空当中进行走动或者进食的时候要格外注意小心。
其实除了吃饭于行动之外，还有一件事情要特别注意，而科学家表示，如果在太空当中与同伴进行交流的时候，要格外控制说话的音量。那么说话大声又会引来什么样的危险呢？众所周知声音的传播是需要介质，而太空当中又是真空环境，其实不管音量多大，对方都有可能听不见。
其实科学家曾经做了一个小实验，那就是将一个设置好的闹钟，放在一个密封的玻璃容器内，而这个容器内早已成为了真空环境。而这个闹钟还被设置成闹铃声随着时间的增长而增长，但是随着时间的流逝，闹铃声持续的时间却逐渐变得短暂。后来科学家们发现原来闹钟收到了损坏。这到底又是什么样的原因呢？根据科学家的解释，让闹钟受到伤害的，正是因为它发出的声音，根据能量守恒定律产生的能量不会凭空消失，但是在这密封的空间中游荡之后，最后有作用在闹钟之上。
后来科学家们表示，在太空中说话的声音超过90分贝时，所产生的能量有可能会伤害到宇航员的神经系统，如果声音超过了120分贝，那么就有可能会使宇航员受到生命危险，所以说在太空当中不能大声说话。
宇航员在太空中的生活及一些趣事
太空是个充满魅力的神奇世界，在太空的生活更是个充满魅力、令人好奇的神奇话题。 太空环境与地球环境大不相同，那里没有空气，充满危险的太空辐射。当然在封闭的空间站或航天飞机舱内，有足够的空气供你呼吸，良好的航天器屏蔽材料可以有效地挡住太空辐射，只是“失重”会给生活带来一些麻烦。
如果用地球上的方式去太空生活，那肯定会闹出很多大笑话。比如吃饭，你端着一碗米饭，那饭会一粒粒飘满你的座舱，你张着嘴可能一粒也吃不着；而你闭上嘴时，饭粒却可能飘进你的鼻孔呛你个半死。你想躺在床上睡个舒服觉，可是你会发现太空中找不到上下的界限，“躺”和“站”几乎没有什么区别……
那么宇航员们是如何在太空中吃饭与睡眠的呢？
【1】100多种太空食品 。宇航员的食物丰富多彩，从最初的十几种已经发展到了100多种。宇航员每天一般吃4顿饭，一周之内的食谱不重复。有人以为宇航员的食品都是做成牙膏状的挤着吃，肯定很乏味，其实这是早期宇航员的状况，现在早已今非昔比了。宇航员可以在太空中吃到香肠馅饼、辣味烤鱼、土豆烧牛肉、奶油面包、豆豉肉汤、金枪鱼沙拉、饼干、巧克力、酸奶、果脯、果汁等各种各样的佳肴，美国宇航员甚至可以喝到他们爱喝的可口可乐。不过，宇航员吃饭并不能随心所欲。他们必须按地面营养师为他们配制好的食谱用餐。美国航天飞机上的宇航员吃饭时，先把标有第几天第几顿字样的塑料袋从食品柜中取出。每个塑料袋里装有7种食品，供一名宇航员食用。太空食品均为脱水食品，临吃前可把食物放入一个碗形的容器中，再用注射器将一定数量的水注进容器，然后再放进烤箱里加热。一顿饭不超过半小时就可以“做”好。
【2】 非同一般的吃饭动作。太空餐桌是特制的。它具有磁性，能吸住刀、叉、勺、碗、盘等餐具，桌上装有水冷却器和加热器。吃饭时，宇航员必须先把脚固定在地板上，把身体固定在座椅上，以免飘动。面对摆在餐桌上的饭菜，你千万不要着急，一定要注意端碗、夹饭、张嘴、咀嚼一连串动作的协调。端碗要轻柔，动作太猛，饭会从碗里飘出去；夹饭、夹菜要果断，夹就要夹准、夹住，最好不要在碗里乱拨拉，以免饭菜飘走，使用叉子效果最好；饭菜夹住后，张嘴要快，闭嘴也要快，因为即使是放到嘴里的食物，不闭嘴它也会“飞”走；咀嚼时节奏要放慢，细嚼慢咽利于消化，还可以减少体内废气的产生和排泄，避免宇航员生活环境的污染。
有些人最喜欢在吃饭时聊天神侃，而在太空吃饭最忌讳的就是边吃边说。边吃边说会使嘴里嚼碎的食物碎末飞出嘴外，飘在餐厅或生活舱里，宇航员稍不注意吸进鼻腔就容易呛到肺里发生危险。
【3】 特制的“王太太炒羊肉” 。尽管太空食品供应充足，花样齐全，营养丰富，但宇航员却普遍抱怨在天上吃饭吃不出味道。科学家分析，原因可能不在食品本身，而是太空环境引起宇航员的味觉失调。如失重使鼻腔充血，导致味觉神经钝化，唾液分泌发生变化影响味觉，或者因为看不到食物的颜色、闻不到食物的气味而影响味觉。美籍华人宇航员王赣骏乘航天飞机上天时，为了使他能有个好胃口，他的太太做了他平时爱吃的炒羊肉。这道食品被命名为“王太太炒羊肉”。
【4】糊涂觉与奇异睡姿 。宇航员在太空中睡觉的的确确是“糊涂觉”，其表现一是黑白不分，二是睡姿奇异。 黑白不分，是说宇航员在天上绕地球航行，太空日出日落由航天器绕地球一圈的时间而定。有时24小时内日出日落交替许多次，宇航员无法遵循地球上“日出而作，日落而息”的生活习惯，只好机械地按钟点安排工作和睡觉。
【5】 睡姿奇异，是说宇航员在太空失重环境中找不到“躺”的感觉。在地球重力环境，人们习惯于把地心引力的方向定为“下”，把“天”的方向定为“上”，也就是人们常说的“脚踩大地，头顶蓝天”。可是到了失重的环境里，人们失去了“上”“下”的参照坐标，脚踩不到地，四周全是天，你根本分不清上、下，因此，睡觉也就没有了“平躺”一说。由于无论站着、躺着，还是趴着都可以入睡，所以宇航员睡觉可以飘在太空舱里睡，挂在墙上睡，绑在床上睡，也可以吊在梁上睡，靠在桌边睡。 不过大多数宇航员不习惯飘荡着睡。一旦从飘浮睡眠中醒来，他们会产生一种掉进万丈深渊的感觉。为了获得安全感，宇航员一般睡在固定的床上或固定在墙壁上的睡袋里，睡袋拉紧后能给人体施加一定的压力，使人消除那种飘飘欲坠的恐慌感。
【6】千万别把手脚伸出被外 。有人睡觉习惯把手或腿放在被子外面。这在地面上看来是很正常的现象，可是在太空环境里，却是很危险的。太空失重，睡眠中人的四肢会不受躯干支配而四处飘动。一名前苏联宇航员有一次把手臂放在睡袋外睡觉，醒来后突然发现有两只大手向他脸上飘来，吓了他一大跳。原来这飘动的两只大手正是他自己的手。吓一跳还是小事，如果宇航员睡着后，失控的“自由”之手、“自由”之脚万一无意中碰到了什么开关、什么仪器，那太空舱的安全、宇航员的生命岂不成了大问题？所以，在太空中睡觉，千万注意把手、脚放进睡袋里。
【7】奇特的洗脸和刷牙 。由于太空的失重环境，在地球上看似简单的洗脸、刷牙、刮胡子、理发以及洗涤，到了太空都变成了很复杂和麻烦的事。 宇航员洗脸刷牙比较奇特，为了防止水到处乱飘，一般用湿毛巾擦一擦脸就算是洗脸了；刷牙时，用手指蘸上牙膏来回蹭几下，然后再用湿毛巾把牙齿擦干净刷牙就算完成。如果像在地面上那样刷牙，牙膏泡会飞得满座舱都是。宇航员刮胡子一般使用电动剃须刀，使用时还必须十分小心胡子渣从剃须刀边漏出来。太空舱本来就十分狭小，环保问题就显得极为重要。如果细小的胡渣飘在座舱里，清理起来会十分困难。 太空理发也很不容易，因此无论男女宇航员在上天之前都要把头发理得短些再短些。但是长时间的飞行，头发又会长长，怎么办？宇航员必须发扬团结精神互相帮助，一人理发，一人拿着吸尘器吸走剪下的头发。
【8】“桑拿室”和“洗浴袋” 。在太空中洗澡更为麻烦。宇航员要把脚套在一个固定的环里，不然飘浮的身体被水一冲会不停地翻跟头。失重状态下的水全是一粒粒的小水珠，很容易呛伤人，甚至呛死人，所以洗澡时，宇航员还要戴上呼吸罩和护目罩。洗完澡后，身上的污水不会自动流下来，需要开动水泵连同空气一起抽走。沾在帆布罩上的水也得用水泵抽走。洗一次澡，真正的洗澡时间只有15分钟，可清理污水和其他准备工作却需45分钟。
后来，科学家对太空浴室进行了一些改进。比如俄罗斯和平号空间站的浴室像是一间桑拿室。宇航员进去后经过一段升温，使身体出汗，然后用湿毛巾擦洗。由于不方便也不舒服，“桑拿室”又改成了一个像睡袋一样的装置。宇航员洗澡时，袋内有清水和浴液射出，搓洗完毕后，可以打开袋下的抽风机，把脏水抽走。美国航天飞机上的浴室是个浴罩，浴罩下部也安有抽风机。宇航员洗澡时打开淋浴龙头和抽风机，上面喷水下面抽水，会形成如同地面一样的淋浴效果。
【9】太空专用洗发液 。宇航员的洗发液是特制的。这种洗发液96％的成分是从植物中提取的。由于在太空中不可能有很多的水供给宇航员冲洗头发，所以宇航员使用的洗发液是免冲型的。它在失重的状态下能变为十分细小的颗粒。洗头时，它很容易带走头上的污垢。洗完后，用餐巾纸或毛巾一擦，洗发液就被清除得一干二净。用这种太空洗发液洗过的头发，完全不用发胶、摩丝和吹风机，既能显示头发的自然美又特别容易梳理。
据最新报道，俄罗斯和美国专家正在为两国宇航员准备最新洗漱用品，但是他们在女宇航员的化妆品上产生了分歧。俄罗斯专家认为在太空完全没有必要打扮，而美国专家却认为香水、润肤液、口红等都是不可缺少的。
【三】小结：通过本节的学习了解太空中的环境，了解宇航员的生活，为第三节完全失重现在的学习打基础。

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