天宮實驗，不只是好玩

本刊綜合

摘“星星”的媽媽回來了！2022 年4 月16 日，神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場預定區域成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富平安“回家”。

出差半年，神舟十三號航天員乘組圓滿完成任務，創造了中國航天員連續在軌飛行時長新紀錄，在星辰大海留下了最難忘的記憶。在軌飛行期間，他們先后進行2 次出艙活動，開展多項科學實（試）驗，驗證了航天員長期駐留保障、再生生保、艙外操作、在軌維修等關鍵技術，還進行了太空授課，以及一系列別具特色的科普教育和文化傳播活動。而且，他們首次在太空過春節，首次舉辦天宮畫展。

這些活動中，你們印象最深、最感興趣的是什么活動呢？相信很多同學的答案是“太空授課”。

太空授課的內容包括2 次“天宮實驗”，它們呈現了與地面上的實驗完全不一樣的實驗效果。現在，我們一起來回顧第二次天宮實驗，再一次體驗奇妙的實驗之旅。

實驗選擇有講究

不是所有的實驗都能夠入選“天宮實驗”，天宮實驗必須滿足一定的條件。

條件一

實驗所需的材料和設備必須安全，質量小、體積小、功耗小，不能影響中國空間站運行，不能有任何安全隱患，要對航天員的健康無影響。

條件二

實驗創意新穎，可以很好地激發人們的好奇心和探究興趣，實驗現象要和地面上的形成鮮明對比。

條件三

實驗操作簡單可行，不會給航天員帶來太多負擔。

圖1 第二次天宮實驗課表

神舟十三號航天員乘組“名場面”

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“最強工具人”，三人為我們送上來自遙遠太空的新春祝福……半年來，我們共同見證了神舟十三號航天員乘組許多太空精彩時刻。

成功“接頭”，入住“天宮”時間：2021 年10 月16 日

2021 年10 月16 日，神舟十三號載人飛船與空間站組合體成功交會對接，神舟十三號航天員翟志剛、王亞平、葉光富先后進入天和核心艙，中國空間站迎來第二個航天員乘組。

天宮實驗趣味多

在距離地球約400 千米的“天宮課堂”上，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別有趣味的實驗上演。觀看這些實驗后，大家都驚呼“長知識”啦！

授課團隊

主講人：王亞平

協助人員：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，生動演示天宮實驗，講解科學原理（圖/央視新聞）

首次出艙，感覺良好

時間：2021 年11 月7 日

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

王亞平成為中國首位進行出艙活動的女航天員，邁出了中國女性艙外太空行走的第一步。

經過約6 個半小時的出艙活動，神舟十三號航天員乘組密切配合，圓滿完成了既定任務。

“天宮課堂”第一課干貨滿滿

時間：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”，在中國空間站精彩開講。

二次出艙，一切順利

時間：2021 年12 月26 日

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

太空“冰雪”實驗

實驗這么做：

航天員們要在中國空間站制造“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，我們在生活中很容易獲得——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”實驗（圖/央視新聞）

看，王亞平拿出一個袋子，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，經過幾次嘗試后，溶液在吸管口形成一個透明液體球。然后，她將沾有結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“冰球”摸起來不但不涼，反而熱乎乎的。

實驗原理學一學：

過飽和乙酸鈉溶液結晶通常需要外界“擾動”，而這個實驗的“玄機”就在于毛根上的結晶核為過飽和乙酸鈉溶液提供了凝結核，溶液析出大量晶體，同時釋放大量熱量。

這液體球結晶成的“冰球”實際上是“熱球”，摸起來是熱的。這個實驗又可以叫作“熱冰實驗”。

小編嘮嘮：

常溫的過飽和乙酸鈉溶液非常不穩定，一粒小小的灰塵甚至是晃動時產生的一個氣泡都有可能使其結晶。所以，想要呈現完美的“點水成冰”實驗，有難度。

神舟十三號航天員乘組肯定是提前做了大量準備，預料到了所有的突發狀況，并做了不同的預案，非常不易。

天宮畫展傳遞夢想

時間：2022 年1 月1 日

天宮畫展在中國空間站舉辦。神舟十三號航天員乘組在“元旦京港澳天宮對話”活動期間展示孩子們創作的太空主題繪畫作品，向更多人傳遞孩子們的夢想，點燃更多人追夢圓夢的星火。這也是孩子們送給神舟十三號航天員乘組的新年禮物。

太空跨年，別樣浪漫

時間：2022 年1 月31 日

神舟十三號航天員乘組在中國空間站貼“福”字，寫春聯，迎春節。除夕夜，中國空間站過境祖國上空，驚喜又浪漫。航天員翟志剛、王亞平、葉光富特意發來視頻，向祖國和人民送上祝福。

圖4 王亞平演示液橋實驗（圖/央視新聞）

液橋演示實驗

實驗這么做：

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，“橋”居然沒有斷開。

實驗原理學一學：

這個實驗呈現的是“液橋現象”。液橋是什么？它就是連接兩個固體表面的液體。背后原理就是水的表面張力。

水其實是由無數水分子組成的，它們有兩種基本的運動狀態，那就是相吸和相斥。它們時時刻刻都在運動，當周圍的溫度升高時，它們的運動速度就快些，當周圍的溫度降低時，它們的運動速度相對就慢些。挨得太近了，它們就把對方擠開，離得遠了，它們又反過來緊緊“相擁”。

云鬧元宵，才藝盡顯

時間：2022 年2 月15 日

神舟十三號航天員“現身”“2022 年中央廣播電視臺總臺元宵晚會”，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”

時間：2022 年4 月16 日

神舟十三號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，航天員翟志剛、王亞平、葉光富安全順利出艙，身體狀態良好。

水面表層的分子太活潑，在相互“排斥”時，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量少，這樣，平衡就被打破了。因為數量少，又隔得很遠，水分子就爭先恐后地拉著對方，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，這時如果突破了臨界點，水面支撐不了，水就會流出來。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。

水油分離實驗

實驗這么做：

王亞平拿出一個小瓶子，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驗，水油成功實現了分離（圖/央視新聞）

這時，葉光富前來助力。他將繩子系在瓶口，快速旋轉瓶子，不一會兒，瓶子里的水油出現了分層，油在上層，水在下層。

實驗原理學一學：

水的密度大于油的密度，所以水和油不相溶，水會下沉，油會上浮。但是在中國空間站微重力環境下，晶瑩剔透的油滴并不會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，這時它類似離心機，由于離心力的作用，水油神奇地實現了分離。

為什么要把中國空間站的失重環境稱為“微重力環境”呢？其實，中國空間站雖然處于失重環境，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境，是因為它的飛行速度極快。此時，重力恰到好處地成了向心力，讓中國空間站能圍繞地球運行。但地球并非均勻的球體，中國空間站的運行速度也并非恒定，因此中國空間站內的環境是“微重力環境”，而非“零重力環境”。

太空拋物實驗

實驗這么做：

2022 年北京冬奧會吉祥物“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動。

實驗原理學一學：

平拋運動指的是在不計空氣阻力的情況下，一個物體以水平初速度被拋出并受重力作用的運動。

冰墩墩在中國空間站做近似勻速直線運動，是因為在微重力環境下，物體幾乎不受重力的影響。所以，運動的物體一直以初始速度做勻速直線運動，直到外力迫使它改變運動狀態為止。

小編嘮嘮：

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

地面實驗找不同

我們都知道中國空間站的環境與地面上的環境大不相同。如果將“天宮實驗”搬到地面上來做，會出現什么現象呢？現在，我們來了解一下，滿足你們的好奇心。

形狀不同

在地面上進行“熱冰實驗”，要用到容器，因為過飽和乙酸鈉溶液不能在懸浮狀態下結晶。容器形狀不同，過飽和乙酸鈉溶液結晶的形狀也會不同。

尺寸不同

在中國空間站微重力環境下，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，在正常的重力環境下，液橋的尺寸很小，通常長度只有幾毫米。

圖6 “天地”實驗對比（圖/央視新聞）

分層不同

在地面上做水油分離實驗，實現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，如果搖晃則會看到水油混在一起。但靜置一段時間，水油恢復穩定狀態后，又會“自動”分離，我們可以看到水油出現明顯的分層。

運動狀態不同

在地面上將冰墩墩拋出，冰墩墩會下墜，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。

神舟十三號航天員變身為循循善誘的科學教師，在九天之上演示了一個個好玩的實驗。這些實驗令孩子們印象深刻，他們看得過癮，又長了知識。

未來，太空課堂會有更多形式新穎、內容有趣的科學實驗。期待下一次精彩的太空實驗。希望“天宮課堂”在孩子心中種下的科學種子植根于科技創新的沃土，最終能夠開花、結果。