“天宮課堂”神奇實(shí)驗(yàn)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(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)又一次喚醒大家對(duì)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(mèng)打通，太空探索繼續(xù)遠(yuǎn)航。

忙完冬奧會(huì)之后，“頂流”冰墩墩又在空間站“加班”。太空拋物實(shí)驗(yàn)演示了天地之間拋物區(qū)別。王亞平手拿冰墩墩拋出，如果是在地面，冰墩墩一定會(huì)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(jìn)。這和牛頓第一定律描述的現(xiàn)象相同?！?/p>

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(huán)境，冰墩墩沒有往下墜。平拋運(yùn)動(dòng)是中學(xué)物理知識(shí)中一個(gè)非常重要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同學(xué)們?cè)谌粘Ｉ钪袑?duì)于這種現(xiàn)象司空見慣，但是在完全失重的情況下，平拋運(yùn)動(dòng)到底遵循什么樣的規(guī)律，運(yùn)動(dòng)軌跡如何，老師平常只能通過想象的方式讓同學(xué)們?nèi)ダ斫?。這次太空授課，冰墩墩所演示的情況能使學(xué)生清楚地觀察到在失重時(shí)物體平拋的規(guī)律。

此次太空授課中，晶瑩的熱“冰球”實(shí)驗(yàn)給不少人留下了深刻的印象。實(shí)際上，這是最讓人捏把汗的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

過飽和乙酸鈉溶液被王亞平從儲(chǔ)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(jié)晶，變成了一個(gè)“冰球”的樣子。只是結(jié)晶過程放熱，王亞平拿手碰了碰小球，告訴大家，其實(shí)它是熱的。

中國科技館中國空間站科創(chuàng)體驗(yàn)基地輔導(dǎo)員吳彥旻說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)這種過飽和溶液的狀態(tài)要求比較高。

為啥容易失手還非要選這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？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(shí)驗(yàn)柜。

“無容器”就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過程。再回頭看王亞平老師的實(shí)驗(yàn)，溶液球飄浮在空中，這次并沒有使用固水環(huán)，和地面最大的不同是，材料在懸浮條件下完成了結(jié)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(tài)以及再輝現(xiàn)象。

在地面上，受重力影響，密度不同的水和油會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。而在太空中，水和油分離的現(xiàn)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(jī)”啟動(dòng)，才將水和油成功“甩”分層。

太空的微重力環(huán)境怎么來的？人們的第一感覺是去了太空當(dāng)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(guān)，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(shí)尚存的88.5%的重力提供了一個(gè)恰到好處的向心力，保證空間站既沒有飛離也不會(huì)墜落，它老老實(shí)實(shí)地圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。

相比其他實(shí)驗(yàn)，“液橋”實(shí)驗(yàn)操作起來比較簡(jiǎn)單，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)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(xué)們手里微小的液橋，她在空間站中的液橋可謂巨大?！疤鞂m課堂”授課專家組成員、中國科技館科普講師團(tuán)副團(tuán)長、北京交通大學(xué)副教授陳征揭秘，看似簡(jiǎn)單的液橋?qū)嶒?yàn)其實(shí)并不簡(jiǎn)單。在大學(xué)教師看來，關(guān)于液橋已經(jīng)不再僅討論表面張力，而是需要讓同學(xué)們關(guān)心物質(zhì)的流動(dòng)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(xué)家創(chuàng)造了最好的探索條件?！?/p>

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(xué)物理教師李曉彤和學(xué)生同步做了液橋?qū)嶒?yàn)，她說：“同學(xué)們特別喜歡，覺得很神奇?！?/p>

事實(shí)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(mèng)想。

（選自2022年3月28日《中國青年報(bào)》，本刊有刪改）