“天宮課堂”神奇實驗背后的奧秘

張茜 邱晨輝

2022年3月23日，“天宮課堂”在中國空間站再次開講，太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗又一次喚醒大家對太空的奇思妙想。仿佛開啟一扇門，“天宮課堂”再次將孩子的想象力和星辰大海之夢打通，太空探索繼續遠航。

忙完冬奧會之后，“頂流”冰墩墩又在空間站“加班”。太空拋物實驗演示了天地之間拋物區別。王亞平手拿冰墩墩拋出，如果是在地面，冰墩墩一定會下墜，但在“天宮課堂”，正如王亞平所說：“冰墩墩并沒有像在地面一樣下墜，而是沿著直線近似勻速前進。這和牛頓第一定律描述的現象相同。”

在地球上，人們被地心引力牢牢吸在地上，但空間站屬于微重力環境，冰墩墩沒有往下墜。平拋運動是中學物理知識中一個非常重要的運動規律，同學們在日常生活中對于這種現象司空見慣，但是在完全失重的情況下，平拋運動到底遵循什么樣的規律，運動軌跡如何，老師平常只能通過想象的方式讓同學們去理解。這次太空授課，冰墩墩所演示的情況能使學生清楚地觀察到在失重時物體平拋的規律。

此次太空授課中，晶瑩的熱“冰球”實驗給不少人留下了深刻的印象。實際上，這是最讓人捏把汗的一個實驗。

過飽和乙酸鈉溶液被王亞平從儲存袋里擠出，形成球體懸浮在空間站中，她手中的毛桿一碰小球，球體隨即開始結晶，變成了一個“冰球”的樣子。只是結晶過程放熱，王亞平拿手碰了碰小球，告訴大家，其實它是熱的。

中國科技館中國空間站科創體驗基地輔導員吳彥旻說，這個實驗對這種過飽和溶液的狀態要求比較高。

為啥容易失手還非要選這個實驗呢？吳彥旻透露，這是為了引出葉光富展示的“寶物”——無容器材料實驗柜。

“無容器”就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態下實現熔煉的過程。再回頭看王亞平老師的實驗，溶液球飄浮在空中，這次并沒有使用固水環，和地面最大的不同是，材料在懸浮條件下完成了結晶變化。同樣沒有使用容器，“天宮課堂”還向大家展示了無容器柜用激光加熱合金小球到熔融狀態以及再輝現象。

在地面上，受重力影響，密度不同的水和油會出現分層現象。而在太空中，水和油分離的現象顯然不同。王亞平老師將裝有水和油的小瓶用力搖晃后，水油并沒有分層，依然混合在一起，直到葉光富老師的“人工離心機”啟動，才將水和油成功“甩”分層。

太空的微重力環境怎么來的？人們的第一感覺是去了太空當然就失重了，地球引力夠不到了，真的是這樣嗎？

吳彥旻笑著回答，空間站軌道高度的重力水平并沒比地面低太多，大約是地面重力水平的88.5%。

那到底是什么原因呢？吳彥旻解釋，空間站微重力的成因和它的飛行速度有關，目前公布的天宮空間站的飛行速度是7.68公里每秒，差不多是步槍子彈速度的10倍。這么快的速度如果沒有什么力量拉著，那妥妥地就飛向宇宙了。此時尚存的88.5%的重力提供了一個恰到好處的向心力，保證空間站既沒有飛離也不會墜落，它老老實實地圍繞地球做圓周運動。

相比其他實驗，“液橋”實驗操作起來比較簡單，這個看似簡單的實驗是怎么被選上天的呢？

王亞平在太空用水搭起一座“橋”，相比于地面主課堂上同學們手里微小的液橋，她在空間站中的液橋可謂巨大。“天宮課堂”授課專家組成員、中國科技館科普講師團副團長、北京交通大學副教授陳征揭秘，看似簡單的液橋實驗其實并不簡單。在大學教師看來，關于液橋已經不再僅討論表面張力，而是需要讓同學們關心物質的流動和能量的交換。

陳征說：“空間站可以最大限度擺脫地面重力影響研究流體，給今天的物理學家創造了最好的探索條件。”

在太空授課過程中，“天宮課堂”地面主課堂授課教師、北京市第十三中學物理教師李曉彤和學生同步做了液橋實驗，她說：“同學們特別喜歡，覺得很神奇。”

事實上，正如陳征所想，小小的液橋一頭拉住了正在勤奮讀書的孩子，一頭拉住了星辰大海的夢想。

（選自2022年3月28日《中國青年報》，本刊有刪改）