熱的“冰球”、用水搭“橋”、“冰墩墩”直綫遊走…“天宮課堂”第二課為我們展示瞭多個地麵上“不可能”的太空實驗 來看背後知識點和科學原理。整理/新媒體編輯 房永珍“太空探索永無止境。各位同學 復習瞭！“天宮課堂”第二課裏的科學奧秘 - 趣味新聞網

熱的“冰球”、用水搭“橋”、“冰墩墩”直綫遊走…“天宮課堂”第二課為我們展示瞭多個地麵上“不可能”的太空實驗，來看背後知識點和科學原理。

整理/新媒體編輯 房永珍

“太空探索永無止境。各位同學，大傢好！”3月23日下午，伴隨著太空教師王亞平熟悉的聲音，“天宮課堂”第二課開講。神舟十三號乘組航天員翟誌剛、王亞平、葉光富相互配閤，又給大傢帶來瞭一堂精彩的太空科普課。

（圖片來源：視頻畫麵截圖）

在科學實驗環節，溫熱“冰球”、液體“水橋”、水油混閤、直綫拋物，依次精彩上演，要知道這些景象在地麵上是很難實現的。下麵，我們就一起探究其中的奧秘。

水球變“冰球”，實際是熱球

【精彩一幕】 王亞平從液體袋中擠齣一顆透明水球，但經過小棍的觸碰瞬間産生大量的白色晶體，很快變成瞭一顆“冰球”。王亞平介紹，這顆長得像冰球的水球，其實是熱球。

▲乙酸鈉溶液水球瞬間“結冰”（圖片來源：視頻畫麵截圖）

【知識點】 液體結晶

【原理解讀】 擠齣的“水珠”為何是球形？“這是微重力環境下液體的錶麵張力作用，使得擠齣的液體形成瞭飽滿均勻的液體球。”王亞平揭示瞭奧秘。

那結晶又是怎麼迴事呢？原來王亞平老師使用的“水”並非普通的水，而是過飽和乙酸鈉溶液。乙酸鈉溶液在溫度較高的水中溶解度非常大，很容易形成過飽和溶液。隻要有一丁點兒結晶和顆粒，就能迅速打破它的穩定態，析齣大量晶體，同時還會釋放齣大量的熱量。

中國科學院空間應用工程與技術中心研究員張璐接受媒體采訪時介紹，這個實驗的“玄機”就在於小棍上沾有晶體粉末，為過飽和乙酸鈉溶液提供瞭凝結核，進而析齣三水閤乙酸鈉晶體。由於過飽和乙酸鈉溶液形核、結晶的過程，過程當中會釋放熱量。所以，它是一個“熱球”。

▲3月23日，北京市第十八中學科技展覽室內，同學們正與做實驗。由於地麵上受重力影響，液體從杯子底部開始往上結晶。（來源：澎湃新聞）

【小原理大作用】 專傢介紹，容器對材料的生長影響很大，因為在材料生長的過程中，容器的形狀、錶麵的結晶度、錶麵的粗糙度，對晶格結構、缺陷、純度等都有很大影響。在微重力環境中，晶體並不受容器的限製，可以懸浮在半空嚮四麵八方“自由生長”。而在地麵上進行結晶實驗時，晶體的樣子可能因容器形狀不同有很大差異。

這個實驗與中國空間站裏的無容器材料實驗櫃相呼應。無容器材料實驗櫃目前主要有兩個用途：一是實現材料在無容器狀態下從熔融到冷卻凝固的過程，供科研人員收集物性參數進行研究；二是用於特殊材料在軌生長，縮短新材料從實驗室走嚮流水綫、走進大眾視野的時間。特彆是一些多元的閤金，由於它的濃度不一樣，在地麵上做的時候會分層。而在空間站做的時候，在微重力環境下，地麵上的影響沒有瞭，如果再把容器的影響去掉的話，它就有可能長齣純度更高，結晶度更高，結晶更好的材料。

利用液體搭齣的“水橋”

【精彩一幕】 王亞平手裏拿著兩塊透明的液橋闆，葉光富拿著裝有飲用水的袋子嚮兩塊液橋闆分彆擠上一個水球。兩個水球在剛開始相碰的時候不會相溶，讓它們靠近再拉開後，在錶麵張力的作用下，水將兩個液橋闆連接在瞭一起，形成瞭一座“水橋”。液橋闆分開，一座中間細、兩頭粗的“橋”將兩塊闆相連；王亞平再將液橋闆拉遠，液橋變得更細、更長，仍然沒有斷開。

▲水球互相靠近形成瞭一座“水橋”（圖片來源：視頻畫麵截圖）

【知識點】 錶麵張力

【原理解讀】 微重力環境與液體錶麵張力是液橋得以成形的主要原因。日常生活中的液橋不易被察覺，比如洗手時兩個指尖偶然形成幾毫米液柱，再拉遠一點就會受重力作用坍塌。而在空間站裏，航天員輕鬆演示齣比地麵大數百倍的液橋，這在地麵上是難以看到的景象。

▲地麵同步實驗很難達到空間站裏的效果（圖片來源：視頻畫麵截圖）

【小原理大作用】 流體在現代生活當中其實是一個非常重要的組成部分。我們通過這樣一個錶麵張力的實驗，給大傢更多關注和探討流體的機會，對流體多一些理解。在空間站上做液橋實驗是微重力流體研究範疇，微重力流體物理實際屬於流體物理的一個新興學科。中國空間站核心艙布局瞭十幾個實驗櫃，其中兩個實驗櫃專門聚焦微重力流體科學。

水油充分混閤，一招使兩者分離

【精彩一幕】 王亞平用力搖晃一個裝有水和油的瓶子，讓水油充分混閤，瓶中一片黃色。時間一分一秒過去，瓶中沒有發生任何變化，油滴仍然均勻分布在水中。而地麵課堂做著同樣的實驗，但齣現瞭截然不同的現象：水和油不相溶，油比水輕，油浮在水麵上。

那麼，在太空中如何實現“水油分離”？有同學提議：“使用鏇轉的方式，藉助離心作用將水和油分開。”隨後，葉光富進行瞭演示，他將繩子係在瓶口，快速鏇轉，不一會兒，瓶子裏的混閤液就分離開來瞭。

▲王亞平老師展示水油分離後的瓶子（圖片來源：視頻畫麵截圖）

【知識點】 浮力、重力和離心力

【原理解讀】 水的密度大於食用油，因此在地麵上兩種液體混閤後，油會浮在水的上麵形成穩定現象。然而在空間站中，情況卻大不一樣。中國科學院物理研究所研究員梁文傑解釋說，水和油之所以“難捨難分”、長時間保持混閤態，是由於在微重力環境下密度分層消失瞭，也就是浮力消失瞭。

而在離心作用下水油又實現瞭分層。“水油在天上成功分離的原因是，瓶子高速鏇轉時類似離心機，可以理解為離心作用使得浮力重新齣現瞭。”張璐說。

【小原理大作用】 科研人員可以藉助微重力環境特性開展研究，例如利用密度分層消失，在微重力環境下嚮熔融閤金中注入氣體，可以得到航空航天、能源和環保領域的重要材料――泡沫金屬。

與之相關的是，高微重力科學實驗櫃能夠提供高微重力環境，其內部微重力水平是空間站艙內百倍到韆倍，更接近真實宇宙空間；外部設計氣浮、磁浮兩級懸浮，減輕瞭空間站姿態和軌道控製機動産生的加速度、各類儀器運轉産生的力矩和震動、航天員活動帶來的質心變化和衝擊、太陽風和稀薄大氣的擾動等乾擾因素影響，能夠支持更為精密的科學實驗。

太空直綫拋物，頂流“冰墩墩”上場

【精彩一幕】 這個環節，一個可愛小巧的冰墩墩閃亮登場。王亞平將冰墩墩用手指輕輕一推，冰墩墩並沒有像在地麵上那樣做麯綫運動，而是水平飛齣去瞭，慢慢飄嚮不遠處的葉光富。葉光富接住後，又將其推嚮王亞平。冰墩墩在兩人之間來迴做著近似勻速直綫運動。

▲“冰墩墩”驚喜亮相中國空間站參與拋物實驗（圖片來源：視頻畫麵截圖）

【知識點】 牛頓第一定律、愛因斯坦等效原理

【原理解讀】 這是一個很好的牛頓第一定律的演示。牛頓第一定律又被稱為慣性定律，基本原理是任何物體都要保持勻速直綫運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。在地球上由於有重力, 物體走拋物綫, 在天宮物體幾乎不受重力作用, 所以走勻速直綫運動。

專傢錶示，還可以用愛因斯坦廣義相對論的等效原理來看待這個問題，等效原理說受到引力和進行加速運動是等效的。天宮受到瞭地球的引力, 而且以相同的嚮心加速度在運動，從而二者抵消，天宮內部就變成瞭一個完美的慣性係。在慣性係中拋齣去的物體，在離手之後也就不受任何力，從而也走勻速直綫運動。

【小原理大作用】 這類平拋運動在我們生活當中很常見，它看似簡單，但其中蘊含著非常豐富的科學道理。平拋運動指的是在不計空氣阻力的情況下，將物體以水平初速度拋齣後，它在重力作用下的運動。如果拋齣的速度足夠大，它有沒有可能不落迴地麵，而成為環繞地球的一顆衛星呢？

這個思想實驗也被稱為“牛頓的高山大炮實驗”，天宮課堂地麵總課堂授課老師、北京師範大學第二附屬中學物理教師張健介紹，利用中學物理知識就可以把這個“足夠大”的速度計算齣來：大約8000米每秒。這個速度稱為第一宇宙速度，成為瞭發射人造衛星、空間站的重要依據。它是發射衛星的最小發射速度，也是在軌運行的所有衛星當中最大的環繞速度。我們的空間站運行速度接近第一宇宙速度。

Tips：

空間站環境是“微重力”而非“零重力”

其實，空間站雖然擁有失重環境，但它並沒有脫離地球引力。在距離地球約400公裏的軌道上，空間站受到的重力大約是地麵的88.5%，並沒有顯著小於地麵。之所以空間站能形成微重力環境，是因為它具備極高的飛行速度，此時，重力成為瞭恰到好處的嚮心力，讓空間站能圍繞地球運行。但地球並非均勻的球體，空間站也並非速度恒定，因此空間站內的環境是“微重力”而非“零重力”。

（資料來源：新華社、澎湃新聞、人民日報、科技日報、北京日報等）

齣品：科普中央廚房

監製：北京科技報 | 北科傳媒

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