揭秘“天宫课堂”实验背后的科学

• 2022-03-26 18:56:13 来源：科普时报

3月23日，在新疆乌鲁木齐市第七十中学，学生观看王亚平在“天宫课堂”上进行液桥演示实验。当日，“天宫课堂”第二课开讲，“太空教师”翟志刚、王亚平、叶光富在中国空间站再次为广大青少年带来一堂精彩的太空科普课。这次太空授课活动在中国科技馆设地面主课堂，在西藏拉萨、新疆乌鲁木齐设2个地面分课堂。新华社记者 丁磊 摄

3月23日，第二次“天宫课堂”如约登场。翟志刚、王亚平、叶光富三位“太空教师”，用精彩的实验演示、详细的科学实验设施讲解、与地面课堂青少年的互动，为“神十三”乘组的太空授课画上了完美的句号。

为何能“点水成冰”

航天员首先带来了魔术般的“点水成冰”实验。航天员把孩子们常用的小玩具——毛根变成了“魔法棒”，向悬浮于空中的液滴上一点，毛根点到的地方立刻生长出白色的晶体，并很快就从一个透明的大液滴变成了白色“冰球”。更有趣的是这个“冰球”摸起来不但不凉，反而还热乎乎的，为什么呢？

秘密就在液体的成分上。与上次太空授课中王亚平用饮用水制作的水球不同，这次的液滴是醋酸钠的过饱和溶液。醋酸钠在热水中的溶解度很大，冷水中则要小得多，当大量醋酸钠溶解在热的纯净水中后再慢慢冷却，醋酸钠溶液就会进入过饱和状态。然而，因为缺少结晶的另一个必要条件——凝结核，于是溶液处在一个很不稳定的过临界状态。当毛根给液体的这种不稳定平衡状态施加一个扰动时，平衡被打破，液体中产生一些局部缺陷为结晶提供了凝结核，于是液滴便迅速结晶。与一般的过饱和溶液只是将多出的溶质析出结晶不同，醋酸钠在结晶时会带着水分子一起，形成水合的醋酸钠晶体。这意味析出结晶的同时，溶剂也在减少。控制好醋酸钠和水的配比时，让几乎所有的水分子与醋酸钠发生水合，就能让液体完全结晶成为固体，实现点水成冰的效果。

和水在结冰时会放出热量一样，醋酸钠溶液在从液态结晶成为固态时，也会放出一定的热量（物理学家常称之为“相变潜热”），所以那个“冰球”会显得热乎乎的。生活中有一种热敷用的液体袋，用力掰里面的一个小铁片时，液体会迅速变成固体同时发热，同样是利用过饱和醋酸钠结晶时的放热。而且这个过程是可逆的，把袋子放进热水中加热，里面的固体还能重新变回液体，可以重复使用。后面展示的无容器实验柜中，金属锆在从液体变成固体时的“再辉”现象，也是因为释放相变潜热而猛然重新变热而产生的。

液桥是座什么桥

第二个液桥实验则是流体研究的一个重要的基本实验，可以研究温度、密度等引起的毛细流。液桥就是附着在两个固体表面之间的液体，在表面张力的作用下形成一个液体柱。可是因为我们身处的地面上，液体的表面张力难以抵抗重力，很难形成长且稳定的液桥。笔者曾利用给纯净水加高压电场的方式，通过水的极化提供附加极化力在地面上尝试制作更长的液桥，在几万伏特的高压下形成的液桥也只有约1毫米直径和约1厘米的长度。

在太空当中重力的影响消失了，液体的表面张力只需要维持液柱形状，于是我们看到航天员很容易就用两块固体的板子制作出了又粗又长，而且十分稳定的液桥。在“天宫二号”上就曾搭载过利用液桥来研究热毛细对流的科学实验装置。

物理学界有这样一个传说，量子力学的奠基人之一沃尔夫冈·泡利在临终前留下这样一句话：“当我见到上帝时，我会问他两个问题。第一，相对论是怎么回事？第二，湍流是怎么回事？我相信上帝会给我第一个问题的答案。”描述流体的内维尔-斯托克斯方程至今还是世界六大未解数学难题之一，有关流体还有许多人类不了解的事情。太空中的微重力环境可以让地面上被重力掩盖的一些流体的行为和性质表现出来，我们从而可以揭示出更多有关它的性质和规律。

太空水油如何分层

第三个水油分离的实验向我们展示了太空中如何获得“人造重力”的方法。因为油和水不互溶，通过摇晃让油破碎成小滴后会形成乳浊液。地面上因为浮力的作用会让油滴上浮重新分层，而空间站微重力环境下浮力也随之消失，水中的油滴就像上次太空授课中的气泡一样留在原位。要想让它们重新分开，就可以用旋转的方式，利用“惯性离心力”来模拟重力。太空实验柜中的离心机就是类似的工作原理。

反过来看，太空中水油不分层的状况会带来一种优势。如果我们要制造一种合金，这就需要不同的金属充分混合。然而地面上不同金属密度不同，混合时受到重力影响难免出现不均匀的现象，但在太空微重力环境下，就有可能得到近乎完美的合金。

冰墩墩为何做匀速直线运动

第四个太空抛物的实验看似简单，真正要理解它却需要清晰的物理图像，不是件容易的事情。首先就需要理解空间站的微重力环境是怎么来的？空间站的微重力并不是让重力真的消失了，而是因为空间站是一个围绕地球高速旋转的旋转参照系，用物理学的语言说就是一个非惯性参照系，力学规律在非惯性系当中成立的条件是必须对非惯性系进行修正。修正方法是引入一个和非惯性系加速度方向相反的假想力，也称惯性力，对于空间站而言就是一个与重力方向相反的“惯性离心力”，在空间站参照系中地球引力和惯性离心力几乎相互抵消，才让抛出的冰墩墩近似达到“合外力为零”的条件，从而表现出相对空间站的“匀速直线运动”。

如果站在地面这个惯性参考系上看冰墩墩时，它只受一个重力作用，其实是在不断下落的，只是它随飞船和航天员一起在以约8千米的速度向前飞奔，下落的同时作为一个球体的地球表面也在同步不断向下“弯曲”，于是看起来它与地面始终保持几乎相同的高度。卫星、空间站甚至月亮都只受到地球的引力作用（在地球参考系中，忽略太阳和其他行星引力的影响），却没有落到地面，都是相同的道理。

第一次太空授课以兴趣激发为主，第二次授课适当减少了演示科普实验的内容，而详细介绍了中国空间站上搭载的科学实验柜和其正在进行的科学实验，让大家更深入地了解了作为国家太空实验室的空间站上的科学研究工作，为科学梦指引方向。未来，让“天宫课堂”在孩子心中种下的种子，植根于科技创新的沃土，能够开花、结果。

（作者系北京交通大学物理科学与工程学院副教授、中国科技馆科普讲师团副团长、太空授课科普专家组成员）

标签： 太空授课 科学实验 非惯性系

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