“天宮課堂”第二課干貨滿滿

3月23日下午，“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進行授課，在軌演示了太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗等一系列炫酷又好玩的實驗。

不僅好玩，這些實驗背后，藏著不少干貨，來聽專家們怎么解讀——

太空“冰雪”實驗

在太空“冰雪”實驗中，王亞平在空間站上用溶液制作了一顆“冰球”。

太空“冰雪”實驗實際上是空間站里的無水醋酸鈉實驗。這種實驗在太空做和在地面做有什么不同？

中科院物理研究所研究員、物理學會科普工作委員會主任魏紅祥解釋，區別主要有兩點。

“首先是重力的環境，在空間站是微重力環境，在這種環境下，它的結晶狀況跟地面上差別還是挺大的。” 魏紅祥說。

其次就是容器的影響。空間站里的太空“冰雪”實驗是沒有容器的，是一個圓球狀的，在這種情況下結晶是可以往外發展的;如果在容器里面，由于容器的限制，它只能往內結晶。

“在咱們空間站里面就有無容器的材料柜，其實容器對材料的生長影響還是挺大的，因為在材料生長的過程中，容器的形狀、表面的結晶度、表面的粗糙度，對晶格結構、缺陷、純度等都有很大影響。” 魏紅祥說。

液橋演示實驗

在天宮課堂的液橋演示實驗中，水在表面張力作用下，在兩個塑料板之間搭起一座“橋”。

“太空授課的液橋實驗非常生動直觀地展現出液體表面張力的特性。”北京市第十三中學教師、天宮課堂地面主課堂授課老師李曉彤說，在地面上沒有辦法做出像天宮課堂上這么大的液橋。

沒錯，空間站上的液橋實驗，跟地面上的液橋實驗也有不同之處。

天宮課堂授課專家組成員、北京交通大學副教授陳征解釋說，空間站上的液橋實驗是完全的表面張力的表現，而地面上的液橋實驗是引入了電介質極化新機制，現象雖然看起來相似，但其實原理并不相同。

“流體在現代生活當中其實是一個非常重要的組成部分。我們通過這樣一個表面張力的實驗，給大家更多關注和探討流體的機會，對流體多一些理解。要知道，解釋流體的納維爾·斯托克斯方程至今還是世界六大未解數學難題之一。”陳征說。

“微重力流體物理實際屬于流體物理的一個新興學科。”中國科學院力學研究所研究員康琦介紹，在空間站上做液橋實驗就是微重力流體研究范疇，中國空間站核心艙布局了十幾個實驗柜，其中兩個實驗柜專門聚焦微重力流體科學。

太空拋物實驗

這次的天宮課堂上，北京奧運會頂流“冰墩墩”也高調亮相。它在空間站上被航天員拋出后，并沒有像在地面上那樣做曲線運動，而是水平飛出去了。

這個不難理解，畢竟在空間站微重力環境下，物體幾乎不受重力影響嘛。不過，這么簡單的實驗為什么要拿到空間站上去做呢？

“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。”天宮課堂地面總課堂授課老師、北京師范大學第二附屬中學物理教師張健說。

張健介紹，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出后，它在重力作用下的運動。

不妨來做這樣的思想實驗：如果我們在高山上做平拋實驗，把物體拋出，它將落向地面;如果將物體拋出的速度變大，它將會落向更遠的地方。那么，如果拋出的速度足夠大，它有沒有可能不落回地面，而成為環繞地球的一顆衛星呢？

“這個想法最早是由牛頓提出的，所以我們也把這個實驗叫作牛頓的‘高山大炮實驗。” 張健介紹，利用中學物理知識就可以把這個“足夠大”的速度計算出來：大約8000米/秒。

“這個速度稱為第一宇宙速度，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。”張健說。