“天宫课堂”第二课的实验，哪些可以在家做

□文/南京市玄武高级中学 张军

图1 供图/视觉中国

“天宫课堂”第二课里的那些实验，你都看懂了吗？哪些实验在家里也能做？本期的“张老师带你做科学”，就来尝试复制这些实验。

“冰雪”实验其实挺好做

王亚平通过几次尝试，得到了一个浮在空中的液球。用小棒在液球上点一下，球体迅速开始“结冰”，很快得到一个“冰球” （图2）。

图2

同学们已经知道，其实液球的成分是过饱和的乙酸钠溶液。我们用白醋与小苏打混合，就可以得到乙酸钠，也就是醋酸钠。乙酸钠的溶解度比较大，在20℃的情况下，100 克的水里可以溶解46.5 克乙酸钠；在100℃的情况下，100 克的水里可以溶解170 克乙酸钠。如果溶液比较均匀，里面又没有凝结核，在温度降低时，本该析出的乙酸钠就不会析出，形成过饱和溶液。过饱和溶液不稳定，遇到震动或者有凝结核介入，会迅速发生结晶，并放出热量。

我们还可以买到带3 个结晶水的三水合乙酸钠，将其溶解到烧杯内的水中并不断加热，配置成饱和溶液，然后冷却，溶液就会进入过饱和状态。这时稍微撒一点乙酸钠粉末到液面上（或者搅拌一下，或者晃动一下烧杯），你就会看到“瞬间结冰”的现象。这时看到的晶体不再是三水合乙酸钠，而是带6 个结晶水的六水合乙酸钠了。由于重力作用效果明显，在家做实验时得不到空间站中那样的“冰球”，除非将过饱和乙酸钠溶液放在球形容器里。

这个实验的网络视频很多，如果在家自己做这个实验，建议请家长陪同，并在加热时注意安全。

其实，水的凝固或沸腾也需要凝结核，气泡、尘埃、杂质等都可以作为凝结核。如果没有凝结核，水温即使降到0℃以下也不会凝固（高纯度的水甚至在-30℃以下也不凝固），会形成过冷水；如果没有凝结核，水温超过100℃也不会沸腾（1标准大气压下），会形成过热水。

用微波炉加热水，如果容器和水都很干净，极易形成过热水。与通常见到的沸腾现象不同，我们看不到水中冒气泡。当从微波炉中取出容器时，如果手抖动，或者取出后放入咖啡、茶叶，或杯体受到震动，水会瞬间爆沸，很容易把人烫伤。所以，用微波炉加热液体要算好时间。

雾是小水滴。气温下降到0℃以下，雾滴有时并不凝固，而是形成过冷水，中间混杂着没有液化的水蒸气。这时如果碰到同样低温的树枝、电线，或者遇到空气中的微粒，就会形成雾凇——过冷水发生了凝固（颗粒状），水蒸气发生了凝华（雪花状），都变成固态（图3）。

图3 供图/视觉中国

雾凇美景在东北的冬天常见，凌晨时分观赏最佳，人会觉得空气清新、环境幽静。因为雾凇形成时空气更洁净，负氧离子也会更多，而且它疏松的结构容易吸收声波。

往溶液中加入凝结核可以防止过饱和溶液的形成。比如制造蔗糖时，往溶液中加入糖晶粒，能让蔗糖尽快结晶。在加热液体时，放入瓷片充当凝结核，也可以防止液体爆沸。

任何溶液都有可能形成过饱和溶液，只是过饱和的程度不同。在测量固体物质的溶解度时，允许溶液里有少量未溶解的溶质存在，这样既能保证溶液是饱和的，还能防止过饱和溶液形成，溶解度的测量更为精确。

液滴易得，液桥难建

王亚平将两块液桥板靠拢，板上的两个水滴接触后连成一体。当液桥板被小心翼翼地拉开，中间细、两头粗的液桥就出现了。

液滴靠近相互吸引，是因为分子间存在相互作用的引力。细长的液桥不断，是因为存在表面张力（也是分子间引力形成的）。表面张力会让液体的表面积趋向最小。在地面上，我们可以用滴管、饮料瓶、吸管等挤出比较圆的水滴，但是要想得到那么长的液桥可就难了。

从传回的画面看，王亚平的液桥板是竖直放置的（当然，空间站里是没有上、下、倾斜、水平、竖直等概念的），液桥板的水滴依然能保持凸起的类球形状，但是在地面上这么做，水滴很容易下流。空间站里的液桥看上去有10 厘米长，但是我们在家做液桥，长度很难超过5 毫米，液体的自重会让液桥垮塌。因为和重力相比，表面张力实在微不足道。

我们可以做几个小实验，来体验水分子的引力或表面张力。将手掌贴在水面上，然后迅速将手掌抬起，你会看到水面被向上吸引（图4）。在硬币上滴水，可以观察到凸起的水面（图5）。将回形针放在水面上，水面可以托起回形针。将铁丝弯成小圆圈，可以从肥皂水中拉出肥皂膜。用铁丝做的“水黾”，很容易浮在水面上（图6）。也可以做个“水流打结”的小实验，在饮料瓶底扎几个靠近的小孔，倒入瓶中的水会从小孔里流出来。这时用手将几股水流拧一下，它们就会合在一起往下流，水流上能清晰地看到“打结”的痕迹（图7）。

图4

图5

图6

图7

能充当液桥板的物体也到处都是，塑料尺、橡皮擦、饮料瓶都行。同学们可以在家里尝试一下，看液桥最多能做多长。还可以在水里加一些盐或者加一些糖，比较一下液桥的长度是否有变化（图8）。再加入蜂蜜试试，如果快速拉，估计你可以短时间内得到稍微长一些的液桥。

图8

空间站里，当王亚平放开液桥板时，两个板子自动靠拢了——这也是分子间引力造成的。

仔细观察，透过液桥你还能看到对面物体的像，这是光线经过水体时发生折射形成的。

在家做一个液体分层小游戏

在空间站里，水和油可以充分混合，将瓶子晃动晃动就能做到。但是，水、油混合时貌合神离，水依然是水，油依然是油，物理性质并不改变。甩动瓶子，利用离心现象，水、油可以明显分离。

水油分离的实验，我们在家里就可以做。找一个小瓶子，分别倒入水和油，先倒或后倒不影响结果，水最终会在瓶底位置，浮在水面上方的油和水之间会形成清晰的分界面。拿着瓶子晃动起来，会看到油与水的混合，你中有我，我中有你。停止晃动后，油依然浮在水的上面。还有什么方法能将水、油混合呢？除了晃动瓶子，还可以利用离心现象。将瓶口向上放入网兜中，抡起网兜甩动起来，你会看到，本来在上方的油往水中“冲锋陷阵”，甚至占领瓶子的底部。停止甩动，油重新回到水面，仿佛一切都未发生。

离心机可以将物料分离，大量应用在食品、制药、化工、选矿等领域。医院在检查疟疾、艾滋病、肺结核等疾病时，需要将装有血液样品的试管放到离心机中，离心现象让血液分层，密度较大的红细胞会被甩到试管底部，血清跑到上层，含有病原体的液体部分则待在中间地带。

我们可以用叶光富的方法得到一个简易离心机，也可以用纽扣和细线做一个简易离心机。将线穿过纽扣上对称的两个小孔后，将线头打结做成线环，纽扣就串在了线环上。双手分别拿着线环的两端，让纽扣在线环上绕几圈，然后有节奏地向两端拽线，纽扣就会慢慢旋转起来（图9）。

图9

纽扣旋转时会导致空气振动，发出声音；转动得越快，声音的音调越高。线上会出现振动时产生的波，还会出现打结的超螺旋结构。超螺旋结构可以储存更多能量，从而让纽扣转动得越来越快。国外有科学家曾利用纽扣旋转的原理，用纸片和线做成了手拉离心机，可得到每分钟12 500 转的转速。

我们可以在家做一个液体分层小游戏。拿一个小瓶子，先倒入部分洗洁精，再倒入部分清水，最后倒入食用油。为了分层清楚，可以用色素将清水染色（不要用黄色，因为上层的油是黄色的）。3 层液体，自下而上，密度逐渐减小，秩序井然（图10）。

图10

将瓶子晃动起来，原先的分层会被破坏，从势不两立变成了鱼水一家亲（图11）。这又是为什么呢？油是有机物，水是无机物，分子结构差别很大。水是极性的，而油的极性很小。根据相似相溶原理，油在水中的溶解度为零，也就是不溶。强行搅拌，只能短暂相拥。想要长相厮守，需要一根红线来牵。表面活性剂干的就是“媒婆”的活，它既有亲油性强的分子，也有亲水性强的分子，可以架设起“友谊的桥梁”，让油可以分散到水中。洗洁精的主要成分正是表面活性剂。肥皂、洗涤剂里的主要成分也是表面活性剂，所以能洗净油迹斑斑的抹布。

图11

冰墩墩能做匀速直线运动吗

太空抛物实验中，被王亚平抛出的冰墩墩笔直地飞向叶光富。空间站内重力作用极其微弱，空气阻力也比较小，所以短时间内，冰墩墩的速度大小和运动方向都几乎不变，可以近似地看作是匀速直线运动。但是，冰墩墩是做不出真正的匀速直线运动的。牛顿第一定律中所描述的“匀速直线运动”在现实世界中不存在，因为我们找不到“不受力”的物体。

人类对“运动与力的关系”的思考由来已久，但是早期的观点往往只是推测或猜想。亚里士多德认为静止是物体的自然状态，没有力的作用，物体就不会运动，认为“力是使物体运动的原因”或者“力是维持物体运动的原因”。他还提出，如果两个物体同时掉落，重的那个先落地。今天我们知道，这些影响了人类1 300 多年的观点是错误的。从开普勒和伽利略开始，对动力学的研究逐步走向深入，伽利略、笛卡尔、惠更斯等人都有各自的贡献，为牛顿的伟大发现奠定了坚实的基础。

静止的物体不受力时会保持静止，这一点大家都能接受。那么，运动的物体不受力，又会如何运动呢？研究这个问题就用到了理想实验法。让小车以一定的初速度在水平面上沿直线运动，水平面施加的摩擦力会让小车最终停下来，速度减小到零（图12）。

图12

在毛巾表面运动，小车受到的摩擦力大，路程短，速度很快减小到零。

在棉布表面运动，小车受到的摩擦力小了一些，路程变长，速度减小到零变慢了。

在木板表面运动，小车受到的摩擦力更小，路程更长，速度减小到零变得更慢了。

如果这个趋势发展到极限情况呢？摩擦力会一直减小到零，路程会一直变长，速度将不再减小，那就是匀速直线运动了。

这就是理想实验法，在事实的基础上进行科学推理，将变化的趋势推想到极限情况。借助这种研究方法，得出了牛顿第一定律：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。也就是说，力是改变物体运动状态的原因。

类似的实验，伽利略在牛顿之前约100 年就做过，那就是著名的斜面实验。这里不再赘述，有兴趣的同学可以查阅资料做进一步了解。

刚才的理想实验中还有一个关键的问题：如何让小车每次在水平面上运动时的初速度相等呢？可以用“三同”的措施解决：同一辆小车，从同一斜面的同一高度，由静止滚下，这样在水平面上的初速度就相等了。

进一步追问：为什么不受力的作用时，静止的物体永远保持静止，而运动的物体保持匀速直线运动呢？很简单，物体自身就具有这个性质，与生俱来，叫作惯性。惯性就是运动状态不想改变的性质，实际上就是“懒”，原来没动的就想“躺平”，索性一动不动；原来运动的，既不想改变方向，也不想改变快慢。当年伽利略把这个性质叫作“自然本性”。

惯性的大小只与物体的质量有关，质量越大，惯性越大，运动状态越难以改变。所以，空车容易启动，也容易刹车；但是满载货物后，既不容易启动，也不容易刹车。航母的质量特别大，一般情况下，启动就需要几小时（图13）。

哥白尼提出日心说时，人们曾困惑不已。如果地球绕着太阳转，而且在自转，那么人跳起来后，不就没办法落到起跳点了吗？伽利略用一个著名的思想实验来解答这个问题。

假想有一艘平稳行驶的船，一个人在船舱里跳起来，仍然会落回原地。地球就好比这艘船，即使在动，跳起来的人依然会落回原地。现在我们知道，人从地面跳起时，改变的只是竖直方向的运动，水平方向的速度和起跳前相同，就是和地球一起运动的速度。

如果地球突然停止转动，那又会怎样？那相当于地球“急刹车”，所有“乘客”都将向前倾——高楼拦腰折断，海浪冲出堤岸，积雪飞离雪山，山体沿原来的运动方向滑动……后果将不堪设想。

回到冰墩墩的问题。平抛出去的冰墩墩具有一定的初速度，因为具有惯性而继续飞行，但是空气阻力会让它的速度越来越小，微重力也会对运动状态产生影响。如果空间站舱体足够长，最终会看到它落下来，完成一个曲线运动。在地面上的观察者看来，冰墩墩的运动一定也是一个变速运动。因此，我们通常所说的“匀速直线运动”其实是一种模型，在忽略次要因素的条件下可以近似地看作是匀速直线运动。用气垫导轨或磁悬浮装置，可以在实验室得到近似的匀速直线运动。初中物理中还有很多这样的模型，比如“光滑的平面”“定值电阻的阻值不变”“晶体有固定的熔点”，等等。

图13 供图/视觉中国