天宮實(shí)驗(yàn)，不只是好玩

本刊綜合

摘“星星”的媽媽回來了！2022 年4 月16 日，神舟十三號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)預(yù)定區(qū)域成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安“回家”。

出差半年，神舟十三號(hào)航天員乘組圓滿完成任務(wù)，創(chuàng)造了中國(guó)航天員連續(xù)在軌飛行時(shí)長(zhǎng)新紀(jì)錄，在星辰大海留下了最難忘的記憶。在軌飛行期間，他們先后進(jìn)行2 次出艙活動(dòng)，開展多項(xiàng)科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)，驗(yàn)證了航天員長(zhǎng)期駐留保障、再生生保、艙外操作、在軌維修等關(guān)鍵技術(shù)，還進(jìn)行了太空授課，以及一系列別具特色的科普教育和文化傳播活動(dòng)。而且，他們首次在太空過春節(jié)，首次舉辦天宮畫展。

這些活動(dòng)中，你們印象最深、最感興趣的是什么活動(dòng)呢？相信很多同學(xué)的答案是“太空授課”。

太空授課的內(nèi)容包括2 次“天宮實(shí)驗(yàn)”，它們呈現(xiàn)了與地面上的實(shí)驗(yàn)完全不一樣的實(shí)驗(yàn)效果。現(xiàn)在，我們一起來回顧第二次天宮實(shí)驗(yàn)，再一次體驗(yàn)奇妙的實(shí)驗(yàn)之旅。

實(shí)驗(yàn)選擇有講究

不是所有的實(shí)驗(yàn)都能夠入選“天宮實(shí)驗(yàn)”，天宮實(shí)驗(yàn)必須滿足一定的條件。

條件一

實(shí)驗(yàn)所需的材料和設(shè)備必須安全，質(zhì)量小、體積小、功耗小，不能影響中國(guó)空間站運(yùn)行，不能有任何安全隱患，要對(duì)航天員的健康無影響。

條件二

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意新穎，可以很好地激發(fā)人們的好奇心和探究興趣，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要和地面上的形成鮮明對(duì)比。

條件三

實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單可行，不會(huì)給航天員帶來太多負(fù)擔(dān)。

圖1 第二次天宮實(shí)驗(yàn)課表

神舟十三號(hào)航天員乘組“名場(chǎng)面”

王亞平頭頂“沖天辮”，翟志剛表示“我已出艙，感覺良好”，葉光富化身天宮課堂“最強(qiáng)工具人”，三人為我們送上來自遙遠(yuǎn)太空的新春祝?！肽陙恚覀児餐娮C了神舟十三號(hào)航天員乘組許多太空精彩時(shí)刻。

成功“接頭”，入住“天宮”時(shí)間：2021 年10 月16 日

2021 年10 月16 日，神舟十三號(hào)載人飛船與空間站組合體成功交會(huì)對(duì)接，神舟十三號(hào)航天員翟志剛、王亞平、葉光富先后進(jìn)入天和核心艙，中國(guó)空間站迎來第二個(gè)航天員乘組。

天宮實(shí)驗(yàn)趣味多

在距離地球約400 千米的“天宮課堂”上，太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)、液橋演示實(shí)驗(yàn)、水油分離實(shí)驗(yàn)、太空拋物實(shí)驗(yàn)等一系列別有趣味的實(shí)驗(yàn)上演。觀看這些實(shí)驗(yàn)后，大家都驚呼“長(zhǎng)知識(shí)”啦！

授課團(tuán)隊(duì)

主講人：王亞平

協(xié)助人員：葉光富

攝像：翟志剛

圖2 在約45 分鐘的授課中，翟志剛、王亞平、葉光富相互配合，生動(dòng)演示天宮實(shí)驗(yàn)，講解科學(xué)原理（圖/央視新聞）

首次出艙，感覺良好

時(shí)間：2021 年11 月7 日

航天員翟志剛、王亞平先后出艙。翟志剛向地面匯報(bào)情況：“我已出艙，感覺良好！”

王亞平成為中國(guó)首位進(jìn)行出艙活動(dòng)的女航天員，邁出了中國(guó)女性艙外太空行走的第一步。

經(jīng)過約6 個(gè)半小時(shí)的出艙活動(dòng)，神舟十三號(hào)航天員乘組密切配合，圓滿完成了既定任務(wù)。

“天宮課堂”第一課干貨滿滿

時(shí)間：2021 年12 月9 日

“天宮課堂”第一課開課。航天員翟志剛、王亞平、葉光富變身“太空教師”，在中國(guó)空間站精彩開講。

二次出艙，一切順利

時(shí)間：2021 年12 月26 日

“感覺良好”乘組再次“感覺良好”。航天員葉光富、翟志剛身著我國(guó)新一代“飛天”艙外航天服先后出艙，進(jìn)行第二次出艙活動(dòng)。

太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)這么做：

航天員們要在中國(guó)空間站制造“冰雪”，需要過飽和乙酸鈉溶液的幫忙。過飽和乙酸鈉溶液也叫醋酸鈉，我們?cè)谏钪泻苋菀撰@得——把小蘇打和白醋混合在一起加熱即可。

圖3 王亞平演示太空“冰雪”實(shí)驗(yàn)（圖/央視新聞）

看，王亞平拿出一個(gè)袋子，里面裝的就是過飽和乙酸鈉溶液，袋口連接著一根吸管。她小心翼翼地從袋子里擠出溶液，經(jīng)過幾次嘗試后，溶液在吸管口形成一個(gè)透明液體球。然后，她將沾有結(jié)晶核的毛根輕輕觸碰液體球，液體球仿佛被施了魔法，迅速變成“冰球”，這個(gè)“冰球”摸起來不但不涼，反而熱乎乎的。

實(shí)驗(yàn)原理學(xué)一學(xué)：

過飽和乙酸鈉溶液結(jié)晶通常需要外界“擾動(dòng)”，而這個(gè)實(shí)驗(yàn)的“玄機(jī)”就在于毛根上的結(jié)晶核為過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結(jié)核，溶液析出大量晶體，同時(shí)釋放大量熱量。

這液體球結(jié)晶成的“冰球”實(shí)際上是“熱球”，摸起來是熱的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)又可以叫作“熱冰實(shí)驗(yàn)”。

小編嘮嘮：

常溫的過飽和乙酸鈉溶液非常不穩(wěn)定，一粒小小的灰塵甚至是晃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)氣泡都有可能使其結(jié)晶。所以，想要呈現(xiàn)完美的“點(diǎn)水成冰”實(shí)驗(yàn)，有難度。

神舟十三號(hào)航天員乘組肯定是提前做了大量準(zhǔn)備，預(yù)料到了所有的突發(fā)狀況，并做了不同的預(yù)案，非常不易。

天宮畫展傳遞夢(mèng)想

時(shí)間：2022 年1 月1 日

天宮畫展在中國(guó)空間站舉辦。神舟十三號(hào)航天員乘組在“元旦京港澳天宮對(duì)話”活動(dòng)期間展示孩子們創(chuàng)作的太空主題繪畫作品，向更多人傳遞孩子們的夢(mèng)想，點(diǎn)燃更多人追夢(mèng)圓夢(mèng)的星火。這也是孩子們送給神舟十三號(hào)航天員乘組的新年禮物。

太空跨年，別樣浪漫

時(shí)間：2022 年1 月31 日

神舟十三號(hào)航天員乘組在中國(guó)空間站貼“?！弊郑瑢懘郝?lián)，迎春節(jié)。除夕夜，中國(guó)空間站過境祖國(guó)上空，驚喜又浪漫。航天員翟志剛、王亞平、葉光富特意發(fā)來視頻，向祖國(guó)和人民送上祝福。

圖4 王亞平演示液橋?qū)嶒?yàn)（圖/央視新聞）

液橋演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)這么做：

葉光富向王亞平手持的兩塊塑料板表面分別擠上一個(gè)水球，之后，王亞平將這兩塊塑料板慢慢靠近。隨著塑料板的距離越來越近，水在它們之間連成了一座“橋”。王亞平又慢慢地將兩塊塑料板拉遠(yuǎn)，“橋”居然沒有斷開。

實(shí)驗(yàn)原理學(xué)一學(xué)：

這個(gè)實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的是“液橋現(xiàn)象”。液橋是什么？它就是連接兩個(gè)固體表面的液體。背后原理就是水的表面張力。

水其實(shí)是由無數(shù)水分子組成的，它們有兩種基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那就是相吸和相斥。它們時(shí)時(shí)刻刻都在運(yùn)動(dòng)，當(dāng)周圍的溫度升高時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)速度就快些，當(dāng)周圍的溫度降低時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)就慢些。挨得太近了，它們就把對(duì)方擠開，離得遠(yuǎn)了，它們又反過來緊緊“相擁”。

云鬧元宵，才藝盡顯

時(shí)間：2022 年2 月15 日

神舟十三號(hào)航天員“現(xiàn)身”“2022 年中央廣播電視臺(tái)總臺(tái)元宵晚會(huì)”，給觀眾帶來了精彩表演。王亞平用古箏彈奏《茉莉花》，翟志剛和葉光富為觀眾送上太空燈謎。

再次開講，花樣“上新”

時(shí)間：2022 年3 月23 日

“天宮課堂”第二課開講。航天員翟志剛、王亞平、葉光富進(jìn)行太空授課。其間，王亞平向大家展示了“太空扎染”。

順利出艙，安全“回家”

時(shí)間：2022 年4 月16 日

神舟十三號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富安全順利出艙，身體狀態(tài)良好。

水面表層的分子太活潑，在相互“排斥”時(shí)，許多水分子都躍出了水面，這就使得水面表層的水分子要比水里其他部位的數(shù)量少，這樣，平衡就被打破了。因?yàn)閿?shù)量少，又隔得很遠(yuǎn)，水分子就爭(zhēng)先恐后地拉著對(duì)方，形成一種往里擠的力。里面的水分子越來越多，它們拉得越來越吃力，這時(shí)如果突破了臨界點(diǎn)，水面支撐不了，水就會(huì)流出來。清晨凝聚在葉片上的露珠，就是在表面張力的作用下形成的。

水油分離實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)這么做：

王亞平拿出一個(gè)小瓶子，里面裝有兩種液體，分別是透明的水和黃色的油。她搖晃瓶子一會(huì)兒后靜置，水油混合在了一起。

圖5 在葉光富的配合下，王亞平完成水油分離實(shí)驗(yàn)，水油成功實(shí)現(xiàn)了分離（圖/央視新聞）

這時(shí)，葉光富前來助力。他將繩子系在瓶口，快速旋轉(zhuǎn)瓶子，不一會(huì)兒，瓶子里的水油出現(xiàn)了分層，油在上層，水在下層。

實(shí)驗(yàn)原理學(xué)一學(xué)：

水的密度大于油的密度，所以水和油不相溶，水會(huì)下沉，油會(huì)上浮。但是在中國(guó)空間站微重力環(huán)境下，晶瑩剔透的油滴并不會(huì)像在地面上一樣上浮，而是與水混合，兩者“難舍難分”。通過葉光富的操作，瓶子高速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)它類似離心機(jī)，由于離心力的作用，水油神奇地實(shí)現(xiàn)了分離。

為什么要把中國(guó)空間站的失重環(huán)境稱為“微重力環(huán)境”呢？其實(shí)，中國(guó)空間站雖然處于失重環(huán)境，但它并沒有脫離地心引力。

在距離地球約400 千米的軌道上，中國(guó)空間站受到的重力并沒有顯著小于地面。之所以能形成微重力環(huán)境，是因?yàn)樗娘w行速度極快。此時(shí)，重力恰到好處地成了向心力，讓中國(guó)空間站能圍繞地球運(yùn)行。但地球并非均勻的球體，中國(guó)空間站的運(yùn)行速度也并非恒定，因此中國(guó)空間站內(nèi)的環(huán)境是“微重力環(huán)境”，而非“零重力環(huán)境”。

太空拋物實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)這么做：

2022 年北京冬奧會(huì)吉祥物“冰墩墩”亮相“天宮課堂”。王亞平向前拋出冰墩墩，冰墩墩并沒有下墜，而是徑直飄向不遠(yuǎn)處的葉光富。葉光富接住后，又將其推向王亞平。冰墩墩在兩人之間來回做著近似勻速直線運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)原理學(xué)一學(xué)：

平拋運(yùn)動(dòng)指的是在不計(jì)空氣阻力的情況下，一個(gè)物體以水平初速度被拋出并受重力作用的運(yùn)動(dòng)。

冰墩墩在中國(guó)空間站做近似勻速直線運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樵谖⒅亓Νh(huán)境下，物體幾乎不受重力的影響。所以，運(yùn)動(dòng)的物體一直以初始速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。

小編嘮嘮：

在中間空間站艙內(nèi)拋物得格外小心，航天員抓取飛物要快、穩(wěn)、準(zhǔn)，這樣才能防止物體碰到儀器設(shè)備。

地面實(shí)驗(yàn)找不同

我們都知道中國(guó)空間站的環(huán)境與地面上的環(huán)境大不相同。如果將“天宮實(shí)驗(yàn)”搬到地面上來做，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？現(xiàn)在，我們來了解一下，滿足你們的好奇心。

形狀不同

在地面上進(jìn)行“熱冰實(shí)驗(yàn)”，要用到容器，因?yàn)檫^飽和乙酸鈉溶液不能在懸浮狀態(tài)下結(jié)晶。容器形狀不同，過飽和乙酸鈉溶液結(jié)晶的形狀也會(huì)不同。

尺寸不同

在中國(guó)空間站微重力環(huán)境下，液體表面張力“大顯神威”，可以維持大尺寸的液橋不“垮塌”。

在地面也可以搭建液橋，不過，由于液體表面張力小，在正常的重力環(huán)境下，液橋的尺寸很小，通常長(zhǎng)度只有幾毫米。

圖6 “天地”實(shí)驗(yàn)對(duì)比（圖/央視新聞）

分層不同

在地面上做水油分離實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)水油分離是非常容易的。

水和油存在密度差，油比水輕，所以油浮在水面上，如果搖晃則會(huì)看到水油混在一起。但靜置一段時(shí)間，水油恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)后，又會(huì)“自動(dòng)”分離，我們可以看到水油出現(xiàn)明顯的分層。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同

在地面上將冰墩墩拋出，冰墩墩會(huì)下墜，并在空中劃出一道弧線。而且我們拋擲冰墩墩的速度越快，它墜落的地方越遠(yuǎn)。

神舟十三號(hào)航天員變身為循循善誘的科學(xué)教師，在九天之上演示了一個(gè)個(gè)好玩的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)令孩子們印象深刻，他們看得過癮，又長(zhǎng)了知識(shí)。

未來，太空課堂會(huì)有更多形式新穎、內(nèi)容有趣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。期待下一次精彩的太空實(shí)驗(yàn)。希望“天宮課堂”在孩子心中種下的科學(xué)種子植根于科技創(chuàng)新的沃土，最終能夠開花、結(jié)果。