昨天下午，天宫号空间站上的三名宇航员王亚平、翟志刚、叶光富，又给全国的观众带来了一堂精彩的天宫授课，宇航员们做了“点水成冰”“液桥”“油水分离”“冰墩墩”四个有趣的实验。你知道这些实验背后的科学道理吗？哪些实验在家里也能做呢？请跟着我，一起来了解一下吧！
另外你看我昨天在《中国之声》做节目的照片，是不是有点帅呆了？
一. 点水成冰
王亚平老师在一个水球上轻轻一点，水球立刻就结冰了，这是怎么回事呢？
点水成冰
这个实验在家里也能做，通常称为“热冰”实验。它的具体做法是：
首先在容器中加入水和足够的醋酸钠（如果没有醋酸钠，用白醋+小苏打也可以），由于醋酸钠比较多，会有一部分沉淀在容器底。
醋酸钠加水或者小苏打加醋
然后将液体加热，由于加热会让溶解度变高，原来沉淀的醋酸钠大部分会溶解。然后将溶液倒出，静置，让它自然冷却，就得到了醋酸钠的过饱和溶液。
加热让醋酸钠溶解
由于缺乏结晶核，虽然溶液的浓度超过了饱和浓度，但是醋酸钠还没有结晶。此时只要用结晶状态的醋酸钠碰一下液体，溶液就会迅速结晶，结出的白色晶体很像冰，而且会放热，所以就叫做热冰实验。这个实验很漂亮，但是小朋友们还是建议在大人监督下完成。
热冰实验

我记得在很多年前，我在王府井逛街的时候，看到一家商店卖神奇热宝。这种热宝里面装满了液体，还有个小金属片。掰动这个金属片，液体就会迅速变成固体，同时放出热量。现在我终于明白了，这种液体就是过饱和醋酸钠溶液。掰动金属片产生冲击，就会产生结晶核，让溶液迅速结晶放热。
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液体热宝‍
但这种热宝几乎是一次性的——你如果想用第二次，就得用抹布把热宝包严实，然后放在锅里煮，直到它重新变成液体，真是不嫌麻烦。我记得，当时有个日本人觉得好奇，买了好几个。嗯。
二. 液桥实验
王亚平老师把水喷到两块玻璃板中间，结果液体就形成了一座桥，这是怎么回事呢？
液‍桥
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这是液体表面张力形成的现象。液体和气体接触时，液体内部分子密集，分子之间有斥力；液体表面分子稀疏，分子之间有引力。
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液体分子内部密集表面稀疏‍
所以，通常情况下液体和气体接触时，液体表面会收缩，能抵抗一定的外力。比如在第一次天宫授课的时候，王亚平老师就展示了一个水膜，由于水的表面张力，水膜才不会破裂。
‍2013年太空授课展示的水膜‍
在地面上，表面张力也有很多神奇的用处，比如：水黾能站在水面上，也是利用了表面张力。
水黾
如果液体和固体接触，情况就分为两种：浸润和不浸润。如果液体分子和固体分子之间的吸引力强，液体就表现为浸润固体，接触面有扩大的趋势，比如水浸润玻璃。反过来，如果液体分子和固体分子之间的吸引力弱，液体就表现为不浸润固体，接触面有缩小的趋势，比如水就不浸润蜡。
去年天宫授课的时候，王亚平老师把一朵纸花放在了水中，结果纸花展开了。这就是因为水浸润纸，表面张力把蜷缩的纸花拉开了。
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水中盛开的纸花‍
‍水还浸润皮肤，所以洗过手，甩甩也不能把所有的水甩掉。但是，由于受到重力作用，挂在手上的水不会太多。用两根手指抿一点水，中间就会形成液桥，但是因为重力作用，液桥里水很少，稍微拉长一点就会断掉。
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地面上的液桥‍
‍但是太空里就不一样了。太空中完全失重，跟不受重力一样，所以水会附着在手上。外国宇航员做过一个实验：拧抹布出水之后，水整个包围在手上，好像胶水一般。
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太空中水会粘在手上‍
在太空里，手上可以粘住更多的水，再加上表面张力的作用，就很容易拉出比较长的液桥啦！

外国宇航员做的液桥实验
三. 人造重力
在地面上，油和水很容易分离，密度小的油在上层，密度大的水在下层。但是在太空里，由于完全失重，混合在一起的油和水没办法依靠重力分离。但是，叶光富老师让小试管转圈圈，油和水就又分离了，这是怎么回事呢？
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油水分离
原来，当物体做圆周运动的时候，就会受到离心力的作用。离心力类似于重力，只不过方向是指向外侧的。洗衣机甩干桶，就是利用离心力工作的。在生物医药上常用的离心机，也是这个原理。
离心机
在著名的科幻片《2001太空漫步》里有这样的情节：一名宇航员在太空中跑步，因为太空船是旋转的，离心力就像重力一样，把宇航员牢牢拴在地面上。
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人造重力‍
现在，叶老师把试管甩了起来，就好像把试管放进了离心机，也像是造了一个引力，把密度大的水拽到外层，把密度小的油留在了内层。小朋友们在家里也可以用一个试管，装点水和土，做一下这个实验。
四. 冰墩墩实验
宇航员们居然在空间站里还有冰墩墩，实在太奢侈了。宇航员把冰墩墩扔出，冰墩墩走了一个直线。这个实验这么简单，想说明什么道理呢？
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冰墩墩实验
大家还记得上中学时候学过的牛顿第一定律吗？物体在不受力的时候‍保持静止或者匀速直线运动状态。现在冰墩墩能够匀速直线飞，是不是说明了它不受力呢？
且慢。冰墩墩和太空站都是在环绕地球运动的。在地面上看，冰墩墩走的可不是直线，而是跟空间站一样，是一个圆弧！而且，冰墩墩也不是不受力，而是受到地球的万有引力。
空间站里看：冰墩墩不受力，走直线；地面上看，冰墩墩受到引力，走圆弧，引力充当向心力。到底谁对谁错？其实，两种说法是等价的。
一百年前，科学家爱因斯坦提出了等效原理，他说：物体在引力场中等效于参考系具有反向的加速度。比如，我站在电梯中，感受电梯对我的支持力，这既有可能是因为电梯停在地球上，地球对我有向下的引力造成的，也有可能是电梯在茫茫宇宙中不受到引力，但是电梯向上加速造成的（想象一下，如果你在汽车上猛踩油门猛地向前加速，是不是会感受到一个推背感）。引力与加速度等效，这是广义相对论的基础之一。
等效原理

爱因斯坦还说：如果一个物体只受到引力，那么它就会完全失重，它的表现会与完全不受力一样。比如，如果我们站在一个电梯里，电梯突然自由落体，那么电梯里的人就会漂浮起来。
现在，空间站几乎只受到地球引力，所以在空间站内部看，物体的表现就跟不受重力的环境一模一样。在去年的天宫授课中，王亚平老师在水杯里放了一个乒乓球，乒乓球根本不会浮起来。你可以理解为水和乒乓球受到地球引力，同时做圆周运动，引力充当了圆周运动的向心力；也可以理解为空间站正在匀速直线飞行，水和乒乓球没有受到任何引力的作用。
浮力消失‍
同样，你从冰墩墩匀速直线运动这件事，根本无法判断空间站到底是不受引力，还是受到引力同时圆周运动，在爱因斯坦看来，这两种情况没有任何区别。
这个实验是中科院物理所的专家设计的，虽然简单，背后却是广义相对论的基础原理。不过严格来讲，空间站还不是只受到引力，毕竟它还会受到太阳光的光压、稀薄的大气和宇宙尘埃的影响。所以，在空间站里面，还不能完全等效于0重力。实际上在空间站里残余的重力大约有地面上的一千分之一到十万分之一。
为了更接近零重力，科学家们设计了一个实验柜，它的外层可以喷气，内层有磁悬浮，柜子里残余的重力只有地面上的一千万分之一，这就是高微重力实验柜。
高微重力柜
在这个实验柜里，我们可以做许多在引力环境下不好做的实验。比如高精度的原子钟需要冷却铯原子，在零重力下最方便；还可以用来寻找引力波、验证广义相对论的等效原理等等。希望天宫号能为我国科学事业领先世界助一臂之力。
其实，在中国空间站之前，人们在和平号空间站和国际空间站中也做了很多神奇的实验。比如，1985年，前苏联宇航员无意中旋转了一个螺母，发现螺母会翻来覆去，这就是贾尼别科夫效应，后来美国NASA的宇航员也重复了这个实验。
贾尼别科夫效应

‍宇航员们还在国际空间站点燃了火焰，在地面由于重力作用，空气会产生对流，热空气上升，周围的氧气从下方补充，火焰是眼泪状的。而在太空里，由于完全失重，没有对流，氧气依靠扩散产生燃烧，火焰是球形。
地面上的火焰和空间站里的火焰
更有趣的是，宇航员们还发现了冷焰现象，就是燃烧后火焰已经看不到了，但是燃料还在持续不断的消失，这说明火焰其实还在燃烧，只是因为缺乏对流氧气不足，温度太低而看不到了。
冷焰
还有比空间站更高的实验室吗？有，1971年，阿波罗15号宇航员大卫斯科特，在月球表面同时扔出了一个锤子和一根羽毛，发现它们在没有空气阻力的环境下的确同时落地，重现了伽利略自由落体实验。
月球表面的自由落体实验
人们在最高课堂不断重复着一个又一个科学实验，正代表着人类不断追求真理，探寻未知的精神。
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