天宫实验，不只是好玩

本刊综合

摘“星星”的妈妈回来了！2022 年4 月16 日，神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆，航天员翟志刚、王亚平、叶光富平安“回家”。

出差半年，神舟十三号航天员乘组圆满完成任务，创造了中国航天员连续在轨飞行时长新纪录，在星辰大海留下了最难忘的记忆。在轨飞行期间，他们先后进行2 次出舱活动，开展多项科学实（试）验，验证了航天员长期驻留保障、再生生保、舱外操作、在轨维修等关键技术，还进行了太空授课，以及一系列别具特色的科普教育和文化传播活动。而且，他们首次在太空过春节，首次举办天宫画展。

这些活动中，你们印象最深、最感兴趣的是什么活动呢？相信很多同学的答案是“太空授课”。

太空授课的内容包括2 次“天宫实验”，它们呈现了与地面上的实验完全不一样的实验效果。现在，我们一起来回顾第二次天宫实验，再一次体验奇妙的实验之旅。

实验选择有讲究

不是所有的实验都能够入选“天宫实验”，天宫实验必须满足一定的条件。

条件一

实验所需的材料和设备必须安全，质量小、体积小、功耗小，不能影响中国空间站运行，不能有任何安全隐患，要对航天员的健康无影响。

条件二

实验创意新颖，可以很好地激发人们的好奇心和探究兴趣，实验现象要和地面上的形成鲜明对比。

条件三

实验操作简单可行，不会给航天员带来太多负担。

图1 第二次天宫实验课表

神舟十三号航天员乘组“名场面”

王亚平头顶“冲天辫”，翟志刚表示“我已出舱，感觉良好”，叶光富化身天宫课堂“最强工具人”，三人为我们送上来自遥远太空的新春祝福……半年来，我们共同见证了神舟十三号航天员乘组许多太空精彩时刻。

成功“接头”，入住“天宫”时间：2021 年10 月16 日

2021 年10 月16 日，神舟十三号载人飞船与空间站组合体成功交会对接，神舟十三号航天员翟志刚、王亚平、叶光富先后进入天和核心舱，中国空间站迎来第二个航天员乘组。

天宫实验趣味多

在距离地球约400 千米的“天宫课堂”上，太空“冰雪”实验、液桥演示实验、水油分离实验、太空抛物实验等一系列别有趣味的实验上演。观看这些实验后，大家都惊呼“长知识”啦！

授课团队

主讲人：王亚平

协助人员：叶光富

摄像：翟志刚

图2 在约45 分钟的授课中，翟志刚、王亚平、叶光富相互配合，生动演示天宫实验，讲解科学原理（图/央视新闻）

首次出舱，感觉良好

时间：2021 年11 月7 日

航天员翟志刚、王亚平先后出舱。翟志刚向地面汇报情况：“我已出舱，感觉良好！”

王亚平成为中国首位进行出舱活动的女航天员，迈出了中国女性舱外太空行走的第一步。

经过约6 个半小时的出舱活动，神舟十三号航天员乘组密切配合，圆满完成了既定任务。

“天宫课堂”第一课干货满满

时间：2021 年12 月9 日

“天宫课堂”第一课开课。航天员翟志刚、王亚平、叶光富变身“太空教师”，在中国空间站精彩开讲。

二次出舱，一切顺利

时间：2021 年12 月26 日

“感觉良好”乘组再次“感觉良好”。航天员叶光富、翟志刚身着我国新一代“飞天”舱外航天服先后出舱，进行第二次出舱活动。

太空“冰雪”实验

实验这么做：

航天员们要在中国空间站制造“冰雪”，需要过饱和乙酸钠溶液的帮忙。过饱和乙酸钠溶液也叫醋酸钠，我们在生活中很容易获得——把小苏打和白醋混合在一起加热即可。

图3 王亚平演示太空“冰雪”实验（图/央视新闻）

看，王亚平拿出一个袋子，里面装的就是过饱和乙酸钠溶液，袋口连接着一根吸管。她小心翼翼地从袋子里挤出溶液，经过几次尝试后，溶液在吸管口形成一个透明液体球。然后，她将沾有结晶核的毛根轻轻触碰液体球，液体球仿佛被施了魔法，迅速变成“冰球”，这个“冰球”摸起来不但不凉，反而热乎乎的。

实验原理学一学：

过饱和乙酸钠溶液结晶通常需要外界“扰动”，而这个实验的“玄机”就在于毛根上的结晶核为过饱和乙酸钠溶液提供了凝结核，溶液析出大量晶体，同时释放大量热量。

这液体球结晶成的“冰球”实际上是“热球”，摸起来是热的。这个实验又可以叫作“热冰实验”。

小编唠唠：

常温的过饱和乙酸钠溶液非常不稳定，一粒小小的灰尘甚至是晃动时产生的一个气泡都有可能使其结晶。所以，想要呈现完美的“点水成冰”实验，有难度。

神舟十三号航天员乘组肯定是提前做了大量准备，预料到了所有的突发状况，并做了不同的预案，非常不易。

天宫画展传递梦想

时间：2022 年1 月1 日

天宫画展在中国空间站举办。神舟十三号航天员乘组在“元旦京港澳天宫对话”活动期间展示孩子们创作的太空主题绘画作品，向更多人传递孩子们的梦想，点燃更多人追梦圆梦的星火。这也是孩子们送给神舟十三号航天员乘组的新年礼物。

太空跨年，别样浪漫

时间：2022 年1 月31 日

神舟十三号航天员乘组在中国空间站贴“福”字，写春联，迎春节。除夕夜，中国空间站过境祖国上空，惊喜又浪漫。航天员翟志刚、王亚平、叶光富特意发来视频，向祖国和人民送上祝福。

图4 王亚平演示液桥实验（图/央视新闻）

液桥演示实验

实验这么做：

叶光富向王亚平手持的两块塑料板表面分别挤上一个水球，之后，王亚平将这两块塑料板慢慢靠近。随着塑料板的距离越来越近，水在它们之间连成了一座“桥”。王亚平又慢慢地将两块塑料板拉远，“桥”居然没有断开。

实验原理学一学：

这个实验呈现的是“液桥现象”。液桥是什么？它就是连接两个固体表面的液体。背后原理就是水的表面张力。

水其实是由无数水分子组成的，它们有两种基本的运动状态，那就是相吸和相斥。它们时时刻刻都在运动，当周围的温度升高时，它们的运动速度就快些，当周围的温度降低时，它们的运动速度相对就慢些。挨得太近了，它们就把对方挤开，离得远了，它们又反过来紧紧“相拥”。

云闹元宵，才艺尽显

时间：2022 年2 月15 日

神舟十三号航天员“现身”“2022 年中央广播电视台总台元宵晚会”，给观众带来了精彩表演。王亚平用古筝弹奏《茉莉花》，翟志刚和叶光富为观众送上太空灯谜。

再次开讲，花样“上新”

时间：2022 年3 月23 日

“天宫课堂”第二课开讲。航天员翟志刚、王亚平、叶光富进行太空授课。其间，王亚平向大家展示了“太空扎染”。

顺利出舱，安全“回家”

时间：2022 年4 月16 日

神舟十三号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，航天员翟志刚、王亚平、叶光富安全顺利出舱，身体状态良好。

水面表层的分子太活泼，在相互“排斥”时，许多水分子都跃出了水面，这就使得水面表层的水分子要比水里其他部位的数量少，这样，平衡就被打破了。因为数量少，又隔得很远，水分子就争先恐后地拉着对方，形成一种往里挤的力。里面的水分子越来越多，它们拉得越来越吃力，这时如果突破了临界点，水面支撑不了，水就会流出来。清晨凝聚在叶片上的露珠，就是在表面张力的作用下形成的。

水油分离实验

实验这么做：

王亚平拿出一个小瓶子，里面装有两种液体，分别是透明的水和黄色的油。她摇晃瓶子一会儿后静置，水油混合在了一起。

图5 在叶光富的配合下，王亚平完成水油分离实验，水油成功实现了分离（图/央视新闻）

这时，叶光富前来助力。他将绳子系在瓶口，快速旋转瓶子，不一会儿，瓶子里的水油出现了分层，油在上层，水在下层。

实验原理学一学：

水的密度大于油的密度，所以水和油不相溶，水会下沉，油会上浮。但是在中国空间站微重力环境下，晶莹剔透的油滴并不会像在地面上一样上浮，而是与水混合，两者“难舍难分”。通过叶光富的操作，瓶子高速旋转，这时它类似离心机，由于离心力的作用，水油神奇地实现了分离。

为什么要把中国空间站的失重环境称为“微重力环境”呢？其实，中国空间站虽然处于失重环境，但它并没有脱离地心引力。

在距离地球约400 千米的轨道上，中国空间站受到的重力并没有显著小于地面。之所以能形成微重力环境，是因为它的飞行速度极快。此时，重力恰到好处地成了向心力，让中国空间站能围绕地球运行。但地球并非均匀的球体，中国空间站的运行速度也并非恒定，因此中国空间站内的环境是“微重力环境”，而非“零重力环境”。

太空抛物实验

实验这么做：

2022 年北京冬奥会吉祥物“冰墩墩”亮相“天宫课堂”。王亚平向前抛出冰墩墩，冰墩墩并没有下坠，而是径直飘向不远处的叶光富。叶光富接住后，又将其推向王亚平。冰墩墩在两人之间来回做着近似匀速直线运动。

实验原理学一学：

平抛运动指的是在不计空气阻力的情况下，一个物体以水平初速度被抛出并受重力作用的运动。

冰墩墩在中国空间站做近似匀速直线运动，是因为在微重力环境下，物体几乎不受重力的影响。所以，运动的物体一直以初始速度做匀速直线运动，直到外力迫使它改变运动状态为止。

小编唠唠：

在中间空间站舱内抛物得格外小心，航天员抓取飞物要快、稳、准，这样才能防止物体碰到仪器设备。

地面实验找不同

我们都知道中国空间站的环境与地面上的环境大不相同。如果将“天宫实验”搬到地面上来做，会出现什么现象呢？现在，我们来了解一下，满足你们的好奇心。

形状不同

在地面上进行“热冰实验”，要用到容器，因为过饱和乙酸钠溶液不能在悬浮状态下结晶。容器形状不同，过饱和乙酸钠溶液结晶的形状也会不同。

尺寸不同

在中国空间站微重力环境下，液体表面张力“大显神威”，可以维持大尺寸的液桥不“垮塌”。

在地面也可以搭建液桥，不过，由于液体表面张力小，在正常的重力环境下，液桥的尺寸很小，通常长度只有几毫米。

图6 “天地”实验对比（图/央视新闻）

分层不同

在地面上做水油分离实验，实现水油分离是非常容易的。

水和油存在密度差，油比水轻，所以油浮在水面上，如果摇晃则会看到水油混在一起。但静置一段时间，水油恢复稳定状态后，又会“自动”分离，我们可以看到水油出现明显的分层。

运动状态不同

在地面上将冰墩墩抛出，冰墩墩会下坠，并在空中划出一道弧线。而且我们抛掷冰墩墩的速度越快，它坠落的地方越远。

神舟十三号航天员变身为循循善诱的科学教师，在九天之上演示了一个个好玩的实验。这些实验令孩子们印象深刻，他们看得过瘾，又长了知识。

未来，太空课堂会有更多形式新颖、内容有趣的科学实验。期待下一次精彩的太空实验。希望“天宫课堂”在孩子心中种下的科学种子植根于科技创新的沃土，最终能够开花、结果。