“天宫课堂”神奇实验背后的奥秘

张茜 邱晨辉

2022年3月23日，“天宫课堂”在中国空间站再次开讲，太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验又一次唤醒大家对太空的奇思妙想。仿佛开启一扇门，“天宫课堂”再次将孩子的想象力和星辰大海之梦打通，太空探索继续远航。

忙完冬奥会之后，“顶流”冰墩墩又在空间站“加班”。太空抛物实验演示了天地之间抛物区别。王亚平手拿冰墩墩抛出，如果是在地面，冰墩墩一定会下坠，但在“天宫课堂”，正如王亚平所说：“冰墩墩并没有像在地面一样下坠，而是沿着直线近似匀速前进。这和牛顿第一定律描述的现象相同。”

在地球上，人们被地心引力牢牢吸在地上，但空间站属于微重力环境，冰墩墩没有往下坠。平抛运动是中学物理知识中一个非常重要的运动规律，同学们在日常生活中对于这种现象司空见惯，但是在完全失重的情况下，平抛运动到底遵循什么样的规律，运动轨迹如何，老师平常只能通过想象的方式让同学们去理解。这次太空授课，冰墩墩所演示的情况能使学生清楚地观察到在失重时物体平抛的规律。

此次太空授课中，晶莹的热“冰球”实验给不少人留下了深刻的印象。实际上，这是最让人捏把汗的一个实验。

过饱和乙酸钠溶液被王亚平从储存袋里挤出，形成球体悬浮在空间站中，她手中的毛杆一碰小球，球体随即开始结晶，变成了一个“冰球”的样子。只是结晶过程放热，王亚平拿手碰了碰小球，告诉大家，其实它是热的。

中国科技馆中国空间站科创体验基地辅导员吴彦旻说，这个实验对这种过饱和溶液的状态要求比较高。

为啥容易失手还非要选这个实验呢？吴彦旻透露，这是为了引出叶光富展示的“宝物”——无容器材料实验柜。

“无容器”就是不用容器承载，使物体在悬空的状态下实现熔炼的过程。再回头看王亚平老师的实验，溶液球飘浮在空中，这次并没有使用固水环，和地面最大的不同是，材料在悬浮条件下完成了结晶变化。同样没有使用容器，“天宫课堂”还向大家展示了无容器柜用激光加热合金小球到熔融状态以及再辉现象。

在地面上，受重力影响，密度不同的水和油会出现分层现象。而在太空中，水和油分离的现象显然不同。王亚平老师将装有水和油的小瓶用力摇晃后，水油并没有分层，依然混合在一起，直到叶光富老师的“人工离心机”启动，才将水和油成功“甩”分层。

太空的微重力环境怎么来的？人们的第一感觉是去了太空当然就失重了，地球引力够不到了，真的是这样吗？

吴彦旻笑着回答，空间站轨道高度的重力水平并没比地面低太多，大约是地面重力水平的88.5%。

那到底是什么原因呢？吴彦旻解释，空间站微重力的成因和它的飞行速度有关，目前公布的天宫空间站的飞行速度是7.68公里每秒，差不多是步枪子弹速度的10倍。这么快的速度如果沒有什么力量拉着，那妥妥地就飞向宇宙了。此时尚存的88.5%的重力提供了一个恰到好处的向心力，保证空间站既没有飞离也不会坠落，它老老实实地围绕地球做圆周运动。

相比其他实验，“液桥”实验操作起来比较简单，这个看似简单的实验是怎么被选上天的呢？

王亚平在太空用水搭起一座“桥”，相比于地面主课堂上同学们手里微小的液桥，她在空间站中的液桥可谓巨大。“天宫课堂”授课专家组成员、中国科技馆科普讲师团副团长、北京交通大学副教授陈征揭秘，看似简单的液桥实验其实并不简单。在大学教师看来，关于液桥已经不再仅讨论表面张力，而是需要让同学们关心物质的流动和能量的交换。

陈征说：“空间站可以最大限度摆脱地面重力影响研究流体，给今天的物理学家创造了最好的探索条件。”

在太空授课过程中，“天宫课堂”地面主课堂授课教师、北京市第十三中学物理教师李晓彤和学生同步做了液桥实验，她说：“同学们特别喜欢，觉得很神奇。”

事实上，正如陈征所想，小小的液桥一头拉住了正在勤奋读书的孩子，一头拉住了星辰大海的梦想。

（选自2022年3月28日《中国青年报》，本刊有删改）