點水成冰(點水成冰原理)

中央紀委國家監委網站 李云舒 柴雅欣

3月23日，“天宮課堂”第二課開講，神舟十三號飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富在中國空間站進行太空授課。這是地面主課堂中國科技館內的學生在聽講。新華社記者 郭中正 攝

3月23日下午，“天宮課堂”第二課在中國空間站開講，神舟十三號飛行乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富相互配合進行授課。

這是中國空間站第二次太空授課。本次太空授課活動采取天地對話方式進行，地面主課堂設置在北京中國科技館，分課堂分別設置在西藏自治區拉薩市和新疆維吾爾自治區烏魯木齊市。

“沒有看夠，再多來點兒吧！”“國家真是強大了，現在我坐在家里都能聽航天員講課，太高大上了”……“天宮課堂”第二課的直播結束后，網友們紛紛感慨留言。伴隨著我國在航天領域取得越來越多的突破，越來越多的中國人被點燃對太空的無限熱情。

太空“冰雪”、液橋演示……航天員帶領同學們探索奇妙太空實驗背后的科學原理

本次太空授課活動繼續采取天地對話方式進行，由航天員在軌演示多個實驗項目：太空“冰雪”實驗、液橋演示實驗、水油分離實驗、太空拋物實驗，介紹核心艙高微重力、無容器實驗機柜，并與地面課堂師生進行天地互動。

“我聽說同學們對液體在失重環境下的狀態特別感興趣，今天我將給大家演示一個神奇的現象。”課程開始不久，王亞平便取出一袋過飽和乙酸鈉溶液，輕輕擠壓，一顆晶瑩的液體球隨即懸停在空間站艙內。接下來，神奇的一幕出現了——王亞平用沾有三水合乙酸鈉晶體粉末的小棒觸碰液體球后，液體球迅速結晶，看上去變成了一顆“冰球”。在地面主課堂觀看直播的學生們發出了一陣驚嘆聲。

為什么會出現“點水成冰”的現象？王亞平解釋，這是因為乙酸鈉溶液在溫度較高水中的溶解度非常大，很容易形成過飽和溶液，暫時處于亞穩態。這種溶液里只要有一丁點的結晶和顆粒，就能打破它的穩定狀，迅速結晶的同時釋放出大量熱量。

雖然看起來是一個冰球，但“現在我摸著它竟然還有發熱的感覺，原來是一個熱球！”因此，這個實驗也被稱為“熱冰”實驗。

這個實驗在地球上也能成立。那么，為什么要把它帶到太空？中科院物理研究所研究員魏紅祥表示，在空間站的微重力環境中開展這項實驗，結晶狀況跟地面上開展實驗的差別很大。如果在地面使用容器開展實驗，受容器限制，只能往內結晶。而空間站中并未使用容器，最終結晶為圓球狀，還可以往外發展，從而觀察到不受地球重力影響的材料物性變化。

在接下來的液橋演示實驗中，王亞平則演示了失重環境下水的表面張力作用。王亞平手持兩片塑料板，葉光富向塑料板表面分別擠上水，兩片塑料板逐漸接近，水便在板間連起了一座“橋”。王亞平將塑料板的距離拉遠，“橋”也沒有斷開。

其實在地面環境下，液橋也并不罕見。由于氣液界面之間存在表面張力，使得液體表面好比有一層很薄的彈性薄膜。正是這樣一層“虛擬”的薄膜，使得液橋的表面形貌得以維持，而不會“垮塌”。但正常的重力環境下，液橋的尺寸通常只有幾毫米；而在太空環境下，重力幾近消失，表面張力便能維持建立起很大尺寸的液橋。

“太空授課的液橋實驗一方面是書本上的一種非常好的實踐和補充，讓同學們在頭腦中靠想象才能理解的圖像得以放大和實現，從而更加深刻地去理解這個概念。”“天宮課堂”地面主課堂授課老師李曉彤說。

天地互動積極踴躍，學生探知航天奧秘、學習航天知識的熱情持續高漲

在本次“天宮課堂”中，還有人氣“頂流”前來助陣——北京冬奧會吉祥物冰墩墩。

王亞平將冰墩墩拋出后，它并沒有像在地面上一樣掉落，而是仍沿原有方向勻速前進。這是空間站微重力環境最直觀的體現。

“簡單的平拋運動，在著名科學家牛頓的腦海里被放大到宇宙尺度。既然在地面上拋出物體的速度越快，它就能落到更遠的地方，那如果拋出物體的速度足夠大，它是否能成為環繞地球的衛星？”“天宮課堂”地面主課堂授課老師張健解釋道，這個思想實驗也被稱為“牛頓的高山大炮實驗”，由它引出的第一宇宙速度等概念，成了發射人造衛星、空間站的重要依據。

“天宮課堂”互動性強，做的小實驗也非常生動、神奇。雖然相隔屏幕，同學們卻仿佛身處空間站一般，踴躍與航天員們互動。“空間站里的時序是如何設置的？”“太空里看到的月亮和地球上有什么不同？”“空間站里能把水燒開嗎？”在天地互動的環節中，地面上的同學“腦洞大開”，問了許多有趣的問題，并一一得到解答。

收看直播的不僅有課堂里的學生，還有許多網友，他們提出了許多接地氣的問題。有網友發問：“沒有重力，皮膚會不會變好？”

“提問的人大概是一位愛美的女孩子。”王亞平笑著回答，“空間站沒有太陽光照射，溫度和濕度也都控制在適宜范圍內，另外在微重力環境下，體液會向上分布，皮膚也會隨之向上提升，所以我感覺在空間站里皮膚狀態很不錯。”

這些有趣又生動的太空課程是如何設計出來的？記者了解到，整個“天宮課堂”授課實驗的內容，都由一個科普專家組進行負責。

“來自全國各地的青少年提出了一些實驗的建議，在這些建議的基礎上再由專家組來遴選，最后由中國載人航天工程辦公室來批準。”中國載人航天工程辦公室參與此次授課活動的相關負責人表示，專家組除了遴選項目之外，還要對每個項目的具體方案進行精心策劃，編寫腳本，確保驗證展示的效果，以及學生們能夠看得懂、感興趣。

中繼衛星、空間站、地面測控完美配合，讓太空“網課”不卡頓

太空授課活動采取天地對話方式進行，信號暢通是課程順利進行的關鍵。為了保證“上網課”視頻高清晰、零延時、不卡頓，“天鏈”中繼衛星、空間站、地面各個測控站密切配合，為天地互動提供技術護航。

“航天員給地面的信息依次通過空間站中繼天線、天鏈中繼衛星、星地下行鏈路等傳輸到地面站。”天鏈二號01星副總設計師李向陽將中繼衛星形象地比喻為太空數據的“中轉站”。天鏈中繼衛星可以為中、低軌道航天器提供天基測控、數據中繼服務。這相當于把地面測控站提升到幾萬公里的軌道高度，依照各類航天器、飛行器不同的數據，應用部門把它們產生的各類數據分別進行實時轉發，這樣既提高了數據回傳時效性，又增強了應急協調聯動能力。

據介紹，天鏈一號03星和天鏈二號01星接力保障太空授課，艙內的多臺高清攝像機拍下的高清視頻，通過中繼高速鏈路實時傳送至地面，地面上行兩路高清圖像傳送至艙內的顯示器，從而實現高速雙向音視頻傳輸。

2003年，中國航天員楊利偉第一次進入太空。其間，他數次與地面控制站進行天地通話，但每次都有著嚴格的時間窗口限制。那時，中國境內的觀測站有效保持通信時間是相當有限的。后來，“天鏈”系列中繼衛星誕生，很好地解決了這個問題。如今，我國中繼衛星系統換代升級，太空授課等需要長弧段、強信號支持的重要活動也因此開展得更加從容。

“2013年太空授課，我們當時天上只有3顆星，都是一代星。現在我們天上有5顆星，除了天鏈一號04、05星，還有天鏈二號01星，二代星比一代星在傳輸速率和其他能力上更高。”北京空間信息傳輸中心總工程師單長勝說。

“天宮課堂”展示的是夢想，彰顯的是國家實力

2021年12月9日，我國首個太空科普教育品牌“天宮課堂”第一課正式開啟。作為國家重要的太空實驗室，空間站被賦予了新的意義，成為太空科普教育基地，激發青少年對科學和航天事業的熱愛。

隨著“天宮課堂”第一課、第二課的大獲成功，是否可以期待以后常態化的太空授課？“以后的空間站上會持續有航天員在上面工作、生活、開展實驗，天宮空間站的條件，以及天地通信的保障條件都很好，所以航天員在空間站上飛行的過程中，與地面進行互動交流、開展一些科普活動，這以后是會常態化的。”中國載人航天工程辦公室表示。

一堂“太空課”牽動國人心，它的意義遠不只課堂上展示的內容。令孩子們長久回味的，不僅是那些奇特的太空失重現象，還有對遙遠宇宙的無限遐想。通過天地對話，能夠激發青少年的科學探索精神，進而點亮他們的科學夢想。

“天宮課堂”展示的是夢想，彰顯的是國家實力。一堂科學課，無疑也是一堂愛國主義和理想信念教育課。當前，我國是除美國外唯一一個進行過太空授課的國家。從“嫦娥”探月、“長五”飛天、“天問一號”成功著陸，到“祝融”探火、“羲和”逐日、“天和”遨游星辰，中國的科技發展離不開一代又一代科技工作者開拓創新、永攀高峰的拼搏與進取。而蘊含著得天獨厚豐富教育資源的中國空間站，正為無數中國青少年打開思想的天窗。

飛天夢永不失重，科學夢張力無限。一堂堂“天宮課堂”，正在孩子們的心中埋下向浩瀚星空不懈探索的夢想種子。