科学有魅力！天宫课堂里的实验 你想复习一遍吗

12月9日，同学们迎来了期待已久的太空授课。神舟十三号乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富在空间站进行太空授课。时隔8年，大家有幸再一次看到航天员的太空“网课”，体验到科学的无限魅力。

在这次的太空课中，王亚平再现了经典场面：永远旋转的陀螺和漂在空中的水球。当然，我们也看到了更多的神奇画面：乒乓球在水中的浮力消失，纸花在水球表面绽放，泡腾片在水球中产生大量的气泡……

那么，这些太空中的实验现象背后都是什么科学原理呢？本期我们邀请杭二中物理老师王恺来为大家解读。

太空转身，为啥转不过来

在“天宫课堂”上，航天员叶光富在太空中表演了如何行走，但在转身时却怎么都转不过来，这让很多同学捧腹大笑。

大家肯定很纳闷，平时在地面上非常容易的走路和转身，为何到了太空里竟然那么艰难？尤其是转身的动作，叶光富“失败”了好几次，而且每次他扭转上身，下身就会不由自主往另一个方向扭过去，这又是为何？

王恺说，我们在地球上之所以能轻松前进和转身，是因为地面有摩擦力。而失重状态下飘浮在空中的航天员没有了摩擦力的帮助，转动身体自然就变得很困难。因为此时，航天员的角动量守恒，所以当上半身向左转动，下半身就会向右转。

不过，航天员可以通过转动手臂使身体转动，这是因为整体的角动量守恒。

在我们的生活中，角动量守恒也有很多体现。

比如，大家是否注意过，一架普通的单旋翼直升机的尾部，都有一个侧向旋转的螺旋桨。如果没有这个螺旋桨，主机翼高速转动就如同航天员转动的手臂，会使得直升机主体反方向转动。而尾翼螺旋桨则可以对直升机产生等大反向的作用，从而保持直升机具有稳定的飞行姿态。

乒乓球为何逃不出“水心”

在我们生活的地球上，一只乒乓球放入水中会很自然地浮起来。如果同学们会游泳，在水中也能明显感觉到水给我们身体的浮力。

但是，液体浮力在太空中却消失了。这次太空课里，王亚平给我们演示了乒乓球像一个蛋黄一样安静地呆在水里，完全不会浮起来。

为什么太空里没有浮力了呢？原来，处在液体中的物体所受浮力的来源是上下表面的压力差。液体深度越大，压力就越大，它的根本原因是液体受到重力作用。下部的液体需要给上部液体提供支持力，才能平衡上部液体的重力。

既然浮力产生的原因就是因为有重力，那么在太空中，处于失重状态下的液体自然就没有浮力了。

水膜是怎么让纸花绽放的

在“天宫课堂”上，王亚平还用一朵女儿做的纸花，给大家展示了神奇的水膜张力——纸花在水球的表面绽放了！

液体会有减小表面积的倾向，这种作用力被称为“表面张力”。在失重环境下，表面张力可以维持液体的形状，不会散开，并且趋向于球形。这是因为，相同的体积下，球体表面积是最小的。

所以，在王亚平做的实验中，那个还没有形成正球体的水泡逐渐变得越来越圆。当我们把一朵纸花贴在水面上， 它就随着鼓起来的水球慢慢“绽放”了。

在生活中也可以在一种叫“超疏水”的表面上观察到球形的水滴。

比如，荷叶表面就是超疏水表面。荷叶能“出淤泥而不染”，正是因为它表面特殊的材质使得水滴在上面接近球形，并且很容易滚落。还有一种能在水上快速移动的小虫，叫水黾，它们能“水上飘”，也是利用液体的表面张力。

透过水球，人怎么就倒过来了

水球在失重环境下由于表面张力的作用保持形态，并且由于其折射率和空气不同，从而使得光线在穿过时产生折射，形成汇聚效果，这就形成了一个凸透镜。

两倍焦距以外的物体在穿过凸透镜后看来就呈现倒立的像，所以我们可以看到，王亚平和叶光富之间的那个水球，会让眼中的彼此呈现一正一倒的视觉效果。

其实，我们可以在地面上用透明的水瓶装满水模拟这个实验：在一定距离外，透过水瓶所看到的世界是颠倒的。

在水球中注入空气球形成“双重人像”的实验有很高的操作难度。由于失重，空气球不会因为受到浮力而移动。在注入空气球后，由于空气球的半径更小，水球的半径更大。若透过水球中的空气球观察物体，空气球前后的水相当于形成了两片凹透镜，使得光线穿过时发散，从而可以观察到正立、缩小的物体。在一定距离外，透过近视眼镜片也可以观察到类似的现象。

泡腾片的泡泡竟然没“乱跑”

泡腾片是生活中常见的物品，同学们能够很容易自己开展实验。这次太空实验中，泡腾片在水中溶解后发生化学反应产生二氧化碳气泡，但由于失重，大部分的气泡停留在液体球中，只有极少部分的小气泡由于速度较快脱离水球，并且释放出香味。

看完这堂“网课”的直播后，记者还收到了两位同学提出的问题：在无重力的情况下，泡腾片扔进水里会不会又自己漂出来了？在无大气压强的环境中，泡腾片的气泡还会升上水面破裂吗？

对此，王恺老师说，泡腾片扔进水里在初速度不快的情况下是不会漂出来的，这也是液体表面张力的结果，“可以看到视频中装在杯子里的水不会散得到处都是，也是这个原因。”

因为在没有重力的情况下，泡腾片的气泡不会升上水面；但是如果没有大气压强，处于真空状态，水会直接沸腾变成水蒸气，“液体的沸点是和气压有关的，气压越低，沸点越低。这就是为什么高原地区很难煮熟饭，有时需要使用高压锅来烹饪。”

在看“天宫课堂”时，同学们可能注意到了，空间站里的航天员们看上去都“圆润”了不少，这是为什么？原来，失重环境会导致航天员的血液分布和地面不同，下肢的血液上涌，就像是倒立时一样。所以，航天员就会显得“圆润”了些。

记者 郑琳