□文/南京市玄武高級中學(xué) 張軍

圖1 供圖/視覺中國

“天宮課堂”第二課里的那些實驗，你都看懂了嗎？哪些實驗在家里也能做？本期的“張老師帶你做科學(xué)”，就來嘗試復(fù)制這些實驗。

“冰雪”實驗其實挺好做

王亞平通過幾次嘗試，得到了一個浮在空中的液球。用小棒在液球上點(diǎn)一下，球體迅速開始“結(jié)冰”，很快得到一個“冰球” （圖2）。

圖2

同學(xué)們已經(jīng)知道，其實液球的成分是過飽和的乙酸鈉溶液。我們用白醋與小蘇打混合，就可以得到乙酸鈉，也就是醋酸鈉。乙酸鈉的溶解度比較大，在20℃的情況下，100 克的水里可以溶解46.5 克乙酸鈉；在100℃的情況下，100 克的水里可以溶解170 克乙酸鈉。如果溶液比較均勻，里面又沒有凝結(jié)核，在溫度降低時，本該析出的乙酸鈉就不會析出，形成過飽和溶液。過飽和溶液不穩(wěn)定，遇到震動或者有凝結(jié)核介入，會迅速發(fā)生結(jié)晶，并放出熱量。

我們還可以買到帶3 個結(jié)晶水的三水合乙酸鈉，將其溶解到燒杯內(nèi)的水中并不斷加熱，配置成飽和溶液，然后冷卻，溶液就會進(jìn)入過飽和狀態(tài)。這時稍微撒一點(diǎn)乙酸鈉粉末到液面上（或者攪拌一下，或者晃動一下燒杯），你就會看到“瞬間結(jié)冰”的現(xiàn)象。這時看到的晶體不再是三水合乙酸鈉，而是帶6 個結(jié)晶水的六水合乙酸鈉了。由于重力作用效果明顯，在家做實驗時得不到空間站中那樣的“冰球”，除非將過飽和乙酸鈉溶液放在球形容器里。

這個實驗的網(wǎng)絡(luò)視頻很多，如果在家自己做這個實驗，建議請家長陪同，并在加熱時注意安全。

其實，水的凝固或沸騰也需要凝結(jié)核，氣泡、塵埃、雜質(zhì)等都可以作為凝結(jié)核。如果沒有凝結(jié)核，水溫即使降到0℃以下也不會凝固（高純度的水甚至在-30℃以下也不凝固），會形成過冷水；如果沒有凝結(jié)核，水溫超過100℃也不會沸騰（1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下），會形成過熱水。

用微波爐加熱水，如果容器和水都很干凈，極易形成過熱水。與通常見到的沸騰現(xiàn)象不同，我們看不到水中冒氣泡。當(dāng)從微波爐中取出容器時，如果手抖動，或者取出后放入咖啡、茶葉，或杯體受到震動，水會瞬間爆沸，很容易把人燙傷。所以，用微波爐加熱液體要算好時間。

霧是小水滴。氣溫下降到0℃以下，霧滴有時并不凝固，而是形成過冷水，中間混雜著沒有液化的水蒸氣。這時如果碰到同樣低溫的樹枝、電線，或者遇到空氣中的微粒，就會形成霧凇——過冷水發(fā)生了凝固（顆粒狀），水蒸氣發(fā)生了凝華（雪花狀），都變成固態(tài)（圖3）。

圖3 供圖/視覺中國

霧凇美景在東北的冬天常見，凌晨時分觀賞最佳，人會覺得空氣清新、環(huán)境幽靜。因為霧凇形成時空氣更潔凈，負(fù)氧離子也會更多，而且它疏松的結(jié)構(gòu)容易吸收聲波。

往溶液中加入凝結(jié)核可以防止過飽和溶液的形成。比如制造蔗糖時，往溶液中加入糖晶粒，能讓蔗糖盡快結(jié)晶。在加熱液體時，放入瓷片充當(dāng)凝結(jié)核，也可以防止液體爆沸。

任何溶液都有可能形成過飽和溶液，只是過飽和的程度不同。在測量固體物質(zhì)的溶解度時，允許溶液里有少量未溶解的溶質(zhì)存在，這樣既能保證溶液是飽和的，還能防止過飽和溶液形成，溶解度的測量更為精確。

液滴易得，液橋難建

王亞平將兩塊液橋板靠攏，板上的兩個水滴接觸后連成一體。當(dāng)液橋板被小心翼翼地拉開，中間細(xì)、兩頭粗的液橋就出現(xiàn)了。

液滴靠近相互吸引，是因為分子間存在相互作用的引力。細(xì)長的液橋不斷，是因為存在表面張力（也是分子間引力形成的）。表面張力會讓液體的表面積趨向最小。在地面上，我們可以用滴管、飲料瓶、吸管等擠出比較圓的水滴，但是要想得到那么長的液橋可就難了。

從傳回的畫面看，王亞平的液橋板是豎直放置的（當(dāng)然，空間站里是沒有上、下、傾斜、水平、豎直等概念的），液橋板的水滴依然能保持凸起的類球形狀，但是在地面上這么做，水滴很容易下流。空間站里的液橋看上去有10 厘米長，但是我們在家做液橋，長度很難超過5 毫米，液體的自重會讓液橋垮塌。因為和重力相比，表面張力實在微不足道。

我們可以做幾個小實驗，來體驗水分子的引力或表面張力。將手掌貼在水面上，然后迅速將手掌抬起，你會看到水面被向上吸引（圖4）。在硬幣上滴水，可以觀察到凸起的水面（圖5）。將回形針放在水面上，水面可以托起回形針。將鐵絲彎成小圓圈，可以從肥皂水中拉出肥皂膜。用鐵絲做的“水黽”，很容易浮在水面上（圖6）。也可以做個“水流打結(jié)”的小實驗，在飲料瓶底扎幾個靠近的小孔，倒入瓶中的水會從小孔里流出來。這時用手將幾股水流擰一下，它們就會合在一起往下流，水流上能清晰地看到“打結(jié)”的痕跡（圖7）。

圖4

圖5

圖6

圖7

能充當(dāng)液橋板的物體也到處都是，塑料尺、橡皮擦、飲料瓶都行。同學(xué)們可以在家里嘗試一下，看液橋最多能做多長。還可以在水里加一些鹽或者加一些糖，比較一下液橋的長度是否有變化（圖8）。再加入蜂蜜試試，如果快速拉，估計你可以短時間內(nèi)得到稍微長一些的液橋。

圖8

空間站里，當(dāng)王亞平放開液橋板時，兩個板子自動靠攏了——這也是分子間引力造成的。

仔細(xì)觀察，透過液橋你還能看到對面物體的像，這是光線經(jīng)過水體時發(fā)生折射形成的。

在家做一個液體分層小游戲

在空間站里，水和油可以充分混合，將瓶子晃動晃動就能做到。但是，水、油混合時貌合神離，水依然是水，油依然是油，物理性質(zhì)并不改變。甩動瓶子，利用離心現(xiàn)象，水、油可以明顯分離。

水油分離的實驗，我們在家里就可以做。找一個小瓶子，分別倒入水和油，先倒或后倒不影響結(jié)果，水最終會在瓶底位置，浮在水面上方的油和水之間會形成清晰的分界面。拿著瓶子晃動起來，會看到油與水的混合，你中有我，我中有你。停止晃動后，油依然浮在水的上面。還有什么方法能將水、油混合呢？除了晃動瓶子，還可以利用離心現(xiàn)象。將瓶口向上放入網(wǎng)兜中，掄起網(wǎng)兜甩動起來，你會看到，本來在上方的油往水中“沖鋒陷陣”，甚至占領(lǐng)瓶子的底部。停止甩動，油重新回到水面，仿佛一切都未發(fā)生。

離心機(jī)可以將物料分離，大量應(yīng)用在食品、制藥、化工、選礦等領(lǐng)域。醫(yī)院在檢查瘧疾、艾滋病、肺結(jié)核等疾病時，需要將裝有血液樣品的試管放到離心機(jī)中，離心現(xiàn)象讓血液分層，密度較大的紅細(xì)胞會被甩到試管底部，血清跑到上層，含有病原體的液體部分則待在中間地帶。

我們可以用葉光富的方法得到一個簡易離心機(jī)，也可以用紐扣和細(xì)線做一個簡易離心機(jī)。將線穿過紐扣上對稱的兩個小孔后，將線頭打結(jié)做成線環(huán)，紐扣就串在了線環(huán)上。雙手分別拿著線環(huán)的兩端，讓紐扣在線環(huán)上繞幾圈，然后有節(jié)奏地向兩端拽線，紐扣就會慢慢旋轉(zhuǎn)起來（圖9）。

圖9

紐扣旋轉(zhuǎn)時會導(dǎo)致空氣振動，發(fā)出聲音；轉(zhuǎn)動得越快，聲音的音調(diào)越高。線上會出現(xiàn)振動時產(chǎn)生的波，還會出現(xiàn)打結(jié)的超螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)可以儲存更多能量，從而讓紐扣轉(zhuǎn)動得越來越快。國外有科學(xué)家曾利用紐扣旋轉(zhuǎn)的原理，用紙片和線做成了手拉離心機(jī)，可得到每分鐘12 500 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

我們可以在家做一個液體分層小游戲。拿一個小瓶子，先倒入部分洗潔精，再倒入部分清水，最后倒入食用油。為了分層清楚，可以用色素將清水染色（不要用黃色，因為上層的油是黃色的）。3 層液體，自下而上，密度逐漸減小，秩序井然（圖10）。

圖10

將瓶子晃動起來，原先的分層會被破壞，從勢不兩立變成了魚水一家親（圖11）。這又是為什么呢？油是有機(jī)物，水是無機(jī)物，分子結(jié)構(gòu)差別很大。水是極性的，而油的極性很小。根據(jù)相似相溶原理，油在水中的溶解度為零，也就是不溶。強(qiáng)行攪拌，只能短暫相擁。想要長相廝守，需要一根紅線來牽。表面活性劑干的就是“媒婆”的活，它既有親油性強(qiáng)的分子，也有親水性強(qiáng)的分子，可以架設(shè)起“友誼的橋梁”，讓油可以分散到水中。洗潔精的主要成分正是表面活性劑。肥皂、洗滌劑里的主要成分也是表面活性劑，所以能洗凈油跡斑斑的抹布。

圖11

冰墩墩能做勻速直線運(yùn)動嗎

太空拋物實驗中，被王亞平拋出的冰墩墩筆直地飛向葉光富?？臻g站內(nèi)重力作用極其微弱，空氣阻力也比較小，所以短時間內(nèi)，冰墩墩的速度大小和運(yùn)動方向都幾乎不變，可以近似地看作是勻速直線運(yùn)動。但是，冰墩墩是做不出真正的勻速直線運(yùn)動的。牛頓第一定律中所描述的“勻速直線運(yùn)動”在現(xiàn)實世界中不存在，因為我們找不到“不受力”的物體。

人類對“運(yùn)動與力的關(guān)系”的思考由來已久，但是早期的觀點(diǎn)往往只是推測或猜想。亞里士多德認(rèn)為靜止是物體的自然狀態(tài)，沒有力的作用，物體就不會運(yùn)動，認(rèn)為“力是使物體運(yùn)動的原因”或者“力是維持物體運(yùn)動的原因”。他還提出，如果兩個物體同時掉落，重的那個先落地。今天我們知道，這些影響了人類1 300 多年的觀點(diǎn)是錯誤的。從開普勒和伽利略開始，對動力學(xué)的研究逐步走向深入，伽利略、笛卡爾、惠更斯等人都有各自的貢獻(xiàn)，為牛頓的偉大發(fā)現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

靜止的物體不受力時會保持靜止，這一點(diǎn)大家都能接受。那么，運(yùn)動的物體不受力，又會如何運(yùn)動呢？研究這個問題就用到了理想實驗法。讓小車以一定的初速度在水平面上沿直線運(yùn)動，水平面施加的摩擦力會讓小車最終停下來，速度減小到零（圖12）。

圖12

在毛巾表面運(yùn)動，小車受到的摩擦力大，路程短，速度很快減小到零。

在棉布表面運(yùn)動，小車受到的摩擦力小了一些，路程變長，速度減小到零變慢了。

在木板表面運(yùn)動，小車受到的摩擦力更小，路程更長，速度減小到零變得更慢了。

如果這個趨勢發(fā)展到極限情況呢？摩擦力會一直減小到零，路程會一直變長，速度將不再減小，那就是勻速直線運(yùn)動了。

這就是理想實驗法，在事實的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)推理，將變化的趨勢推想到極限情況。借助這種研究方法，得出了牛頓第一定律：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動狀態(tài)為止。也就是說，力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

類似的實驗，伽利略在牛頓之前約100 年就做過，那就是著名的斜面實驗。這里不再贅述，有興趣的同學(xué)可以查閱資料做進(jìn)一步了解。

剛才的理想實驗中還有一個關(guān)鍵的問題：如何讓小車每次在水平面上運(yùn)動時的初速度相等呢？可以用“三同”的措施解決：同一輛小車，從同一斜面的同一高度，由靜止?jié)L下，這樣在水平面上的初速度就相等了。

進(jìn)一步追問：為什么不受力的作用時，靜止的物體永遠(yuǎn)保持靜止，而運(yùn)動的物體保持勻速直線運(yùn)動呢？很簡單，物體自身就具有這個性質(zhì)，與生俱來，叫作慣性。慣性就是運(yùn)動狀態(tài)不想改變的性質(zhì)，實際上就是“懶”，原來沒動的就想“躺平”，索性一動不動；原來運(yùn)動的，既不想改變方向，也不想改變快慢。當(dāng)年伽利略把這個性質(zhì)叫作“自然本性”。

慣性的大小只與物體的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動狀態(tài)越難以改變。所以，空車容易啟動，也容易剎車；但是滿載貨物后，既不容易啟動，也不容易剎車。航母的質(zhì)量特別大，一般情況下，啟動就需要幾小時（圖13）。

哥白尼提出日心說時，人們曾困惑不已。如果地球繞著太陽轉(zhuǎn)，而且在自轉(zhuǎn)，那么人跳起來后，不就沒辦法落到起跳點(diǎn)了嗎？伽利略用一個著名的思想實驗來解答這個問題。

假想有一艘平穩(wěn)行駛的船，一個人在船艙里跳起來，仍然會落回原地。地球就好比這艘船，即使在動，跳起來的人依然會落回原地。現(xiàn)在我們知道，人從地面跳起時，改變的只是豎直方向的運(yùn)動，水平方向的速度和起跳前相同，就是和地球一起運(yùn)動的速度。

如果地球突然停止轉(zhuǎn)動，那又會怎樣？那相當(dāng)于地球“急剎車”，所有“乘客”都將向前傾——高樓攔腰折斷，海浪沖出堤岸，積雪飛離雪山，山體沿原來的運(yùn)動方向滑動……后果將不堪設(shè)想。

回到冰墩墩的問題。平拋出去的冰墩墩具有一定的初速度，因為具有慣性而繼續(xù)飛行，但是空氣阻力會讓它的速度越來越小，微重力也會對運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生影響。如果空間站艙體足夠長，最終會看到它落下來，完成一個曲線運(yùn)動。在地面上的觀察者看來，冰墩墩的運(yùn)動一定也是一個變速運(yùn)動。因此，我們通常所說的“勻速直線運(yùn)動”其實是一種模型，在忽略次要因素的條件下可以近似地看作是勻速直線運(yùn)動。用氣墊導(dǎo)軌或磁懸浮裝置，可以在實驗室得到近似的勻速直線運(yùn)動。初中物理中還有很多這樣的模型，比如“光滑的平面”“定值電阻的阻值不變”“晶體有固定的熔點(diǎn)”，等等。

圖13 供圖/視覺中國