昨天下午，天宮號空間站上的三名宇航員王亞平、翟志剛、葉光富，又給全國的觀眾帶來了一堂精彩的天宮授課，宇航員們做了“點(diǎn)水成冰”“液橋”“油水分離”“冰墩墩”四個有趣的實(shí)驗(yàn)。你知道這些實(shí)驗(yàn)背后的科學(xué)道理嗎？哪些實(shí)驗(yàn)在家里也能做呢？請跟著我，一起來了解一下吧！

另外你看我昨天在《中國之聲》做節(jié)目的照片，是不是有點(diǎn)帥呆了？

一. 點(diǎn)水成冰

王亞平老師在一個水球上輕輕一點(diǎn)，水球立刻就結(jié)冰了，這是怎么回事呢？

這個實(shí)驗(yàn)在家里也能做，通常稱為“熱冰”實(shí)驗(yàn)。它的具體做法是：

首先在容器中加入水和足夠的醋酸鈉（如果沒有醋酸鈉，用白醋+小蘇打也可以），由于醋酸鈉比較多，會有一部分沉淀在容器底。

然后將液體加熱，由于加熱會讓溶解度變高，原來沉淀的醋酸鈉大部分會溶解。然后將溶液倒出，靜置，讓它自然冷卻，就得到了醋酸鈉的過飽和溶液。

由于缺乏結(jié)晶核，雖然溶液的濃度超過了飽和濃度，但是醋酸鈉還沒有結(jié)晶。此時只要用結(jié)晶狀態(tài)的醋酸鈉碰一下液體，溶液就會迅速結(jié)晶，結(jié)出的白色晶體很像冰，而且會放熱，所以就叫做熱冰實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)很漂亮，但是小朋友們還是建議在大人監(jiān)督下完成。

我記得在很多年前，我在王府井逛街的時候，看到一家商店賣神奇熱寶。這種熱寶里面裝滿了液體，還有個小金屬片。掰動這個金屬片，液體就會迅速變成固體，同時放出熱量。現(xiàn)在我終于明白了，這種液體就是過飽和醋酸鈉溶液。掰動金屬片產(chǎn)生沖擊，就會產(chǎn)生結(jié)晶核，讓溶液迅速結(jié)晶放熱。

但這種熱寶幾乎是一次性的——你如果想用第二次，就得用抹布把熱寶包嚴(yán)實(shí)，然后放在鍋里煮，直到它重新變成液體，真是不嫌麻煩。我記得，當(dāng)時有個日本人覺得好奇，買了好幾個。嗯。

二. 液橋?qū)嶒?yàn)

王亞平老師把水噴到兩塊玻璃板中間，結(jié)果液體就形成了一座橋，這是怎么回事呢？

這是液體表面張力形成的現(xiàn)象。液體和氣體接觸時，液體內(nèi)部分子密集，分子之間有斥力；液體表面分子稀疏，分子之間有引力。

所以，通常情況下液體和氣體接觸時，液體表面會收縮，能抵抗一定的外力。比如在第一次天宮授課的時候，王亞平老師就展示了一個水膜，由于水的表面張力，水膜才不會破裂。

在地面上，表面張力也有很多神奇的用處，比如：水黽能站在水面上，也是利用了表面張力。

如果液體和固體接觸，情況就分為兩種：浸潤和不浸潤。如果液體分子和固體分子之間的吸引力強(qiáng)，液體就表現(xiàn)為浸潤固體，接觸面有擴(kuò)大的趨勢，比如水浸潤玻璃。反過來，如果液體分子和固體分子之間的吸引力弱，液體就表現(xiàn)為不浸潤固體，接觸面有縮小的趨勢，比如水就不浸潤蠟。

去年天宮授課的時候，王亞平老師把一朵紙花放在了水中，結(jié)果紙花展開了。這就是因?yàn)樗櫦?，表面張力把蜷縮的紙花拉開了。

水還浸潤皮膚，所以洗過手，甩甩也不能把所有的水甩掉。但是，由于受到重力作用，掛在手上的水不會太多。用兩根手指抿一點(diǎn)水，中間就會形成液橋，但是因?yàn)橹亓ψ饔茫簶蚶锼苌?，稍微拉長一點(diǎn)就會斷掉。

但是太空里就不一樣了。太空中完全失重，跟不受重力一樣，所以水會附著在手上。外國宇航員做過一個實(shí)驗(yàn)：擰抹布出水之后，水整個包圍在手上，好像膠水一般。

在太空里，手上可以粘住更多的水，再加上表面張力的作用，就很容易拉出比較長的液橋啦！

三. 人造重力

在地面上，油和水很容易分離，密度小的油在上層，密度大的水在下層。但是在太空里，由于完全失重，混合在一起的油和水沒辦法依靠重力分離。但是，葉光富老師讓小試管轉(zhuǎn)圈圈，油和水就又分離了，這是怎么回事呢？

原來，當(dāng)物體做圓周運(yùn)動的時候，就會受到離心力的作用。離心力類似于重力，只不過方向是指向外側(cè)的。洗衣機(jī)甩干桶，就是利用離心力工作的。在生物醫(yī)藥上常用的離心機(jī)，也是這個原理。

在著名的科幻片《2001太空漫步》里有這樣的情節(jié)：一名宇航員在太空中跑步，因?yàn)樘沾切D(zhuǎn)的，離心力就像重力一樣，把宇航員牢牢拴在地面上。

現(xiàn)在，葉老師把試管甩了起來，就好像把試管放進(jìn)了離心機(jī)，也像是造了一個引力，把密度大的水拽到外層，把密度小的油留在了內(nèi)層。小朋友們在家里也可以用一個試管，裝點(diǎn)水和土，做一下這個實(shí)驗(yàn)。

四. 冰墩墩實(shí)驗(yàn)

宇航員們居然在空間站里還有冰墩墩，實(shí)在太奢侈了。宇航員把冰墩墩扔出，冰墩墩走了一個直線。這個實(shí)驗(yàn)這么簡單，想說明什么道理呢？

大家還記得上中學(xué)時候?qū)W過的牛頓第一定律嗎？物體在不受力的時候保持靜止或者勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。現(xiàn)在冰墩墩能夠勻速直線飛，是不是說明了它不受力呢？

且慢。冰墩墩和太空站都是在環(huán)繞地球運(yùn)動的。在地面上看，冰墩墩走的可不是直線，而是跟空間站一樣，是一個圓??！而且，冰墩墩也不是不受力，而是受到地球的萬有引力。

空間站里看：冰墩墩不受力，走直線；地面上看，冰墩墩受到引力，走圓弧，引力充當(dāng)向心力。到底誰對誰錯？其實(shí)，兩種說法是等價的。

一百年前，科學(xué)家愛因斯坦提出了等效原理，他說：物體在引力場中等效于參考系具有反向的加速度。比如，我站在電梯中，感受電梯對我的支持力，這既有可能是因?yàn)殡娞萃Ｔ诘厍蛏?，地球?qū)ξ矣邢蛳碌囊υ斐傻?，也有可能是電梯在茫茫宇宙中不受到引力，但是電梯向上加速造成的（想象一下，如果你在汽車上猛踩油門猛地向前加速，是不是會感受到一個推背感）。引力與加速度等效，這是廣義相對論的基礎(chǔ)之一。

愛因斯坦還說：如果一個物體只受到引力，那么它就會完全失重，它的表現(xiàn)會與完全不受力一樣。比如，如果我們站在一個電梯里，電梯突然自由落體，那么電梯里的人就會漂浮起來。

現(xiàn)在，空間站幾乎只受到地球引力，所以在空間站內(nèi)部看，物體的表現(xiàn)就跟不受重力的環(huán)境一模一樣。在去年的天宮授課中，王亞平老師在水杯里放了一個乒乓球，乒乓球根本不會浮起來。你可以理解為水和乒乓球受到地球引力，同時做圓周運(yùn)動，引力充當(dāng)了圓周運(yùn)動的向心力；也可以理解為空間站正在勻速直線飛行，水和乒乓球沒有受到任何引力的作用。

同樣，你從冰墩墩勻速直線運(yùn)動這件事，根本無法判斷空間站到底是不受引力，還是受到引力同時圓周運(yùn)動，在愛因斯坦看來，這兩種情況沒有任何區(qū)別。

這個實(shí)驗(yàn)是中科院物理所的專家設(shè)計(jì)的，雖然簡單，背后卻是廣義相對論的基礎(chǔ)原理。不過嚴(yán)格來講，空間站還不是只受到引力，畢竟它還會受到太陽光的光壓、稀薄的大氣和宇宙塵埃的影響。所以，在空間站里面，還不能完全等效于0重力。實(shí)際上在空間站里殘余的重力大約有地面上的一千分之一到十萬分之一。

為了更接近零重力，科學(xué)家們設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)柜，它的外層可以噴氣，內(nèi)層有磁懸浮，柜子里殘余的重力只有地面上的一千萬分之一，這就是高微重力實(shí)驗(yàn)柜。

在這個實(shí)驗(yàn)柜里，我們可以做許多在引力環(huán)境下不好做的實(shí)驗(yàn)。比如高精度的原子鐘需要冷卻銫原子，在零重力下最方便；還可以用來尋找引力波、驗(yàn)證廣義相對論的等效原理等等。希望天宮號能為我國科學(xué)事業(yè)領(lǐng)先世界助一臂之力。

其實(shí)，在中國空間站之前，人們在和平號空間站和國際空間站中也做了很多神奇的實(shí)驗(yàn)。比如，1985年，前蘇聯(lián)宇航員無意中旋轉(zhuǎn)了一個螺母，發(fā)現(xiàn)螺母會翻來覆去，這就是賈尼別科夫效應(yīng)，后來美國NASA的宇航員也重復(fù)了這個實(shí)驗(yàn)。

宇航員們還在國際空間站點(diǎn)燃了火焰，在地面由于重力作用，空氣會產(chǎn)生對流，熱空氣上升，周圍的氧氣從下方補(bǔ)充，火焰是眼淚狀的。而在太空里，由于完全失重，沒有對流，氧氣依靠擴(kuò)散產(chǎn)生燃燒，火焰是球形。

更有趣的是，宇航員們還發(fā)現(xiàn)了冷焰現(xiàn)象，就是燃燒后火焰已經(jīng)看不到了，但是燃料還在持續(xù)不斷的消失，這說明火焰其實(shí)還在燃燒，只是因?yàn)槿狈α餮鯕獠蛔悖瑴囟忍投床坏搅恕?/span>

還有比空間站更高的實(shí)驗(yàn)室嗎？有，1971年，阿波羅15號宇航員大衛(wèi)斯科特，在月球表面同時扔出了一個錘子和一根羽毛，發(fā)現(xiàn)它們在沒有空氣阻力的環(huán)境下的確同時落地，重現(xiàn)了伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)。

人們在最高課堂不斷重復(fù)著一個又一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)，正代表著人類不斷追求真理，探尋未知的精神。