資源簡(jiǎn)介

完全失重情況下的一些物理現(xiàn)象
人造地球衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)等 航天器進(jìn)入軌道后，其中的人和物將處于失重狀態(tài)。航天器進(jìn)入軌道后可以近似認(rèn)為是繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的速度方向是時(shí)刻改變的，因而具有加速度，它的大小等于衛(wèi)星所在高度處的重力的大小。這跟在以重力加速度下降的升降機(jī)中發(fā)生的情況類(lèi)似，航天器中的人和物都處于完全失重狀態(tài)。
你能夠想像出失重的條件下會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象嗎？你設(shè)想地球上一旦重力消失，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，在宇宙飛船中就會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。物體將飄在空中，液滴呈絕對(duì)球形，氣泡在液體中將污泥濁水 上浮。宇航員站著睡覺(jué)和躺著睡覺(jué)一樣舒服，走路務(wù)必小心，稍有不慎，將“上不著天，下不著地”食物要做成塊狀或牙膏似的糊狀，以免食物的碎渣“漂浮”在空中，進(jìn)入宇航員的眼睛、鼻孔……你還可以繼續(xù)發(fā)揮你的想像力，舉出更多的現(xiàn)象來(lái)。
你還可以再想一想，人類(lèi)能夠利用失重的條件做些什么？下面舉幾個(gè)事例，將會(huì)幫助你思考。這里所舉的事例雖然還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，但科學(xué)家們正在努力探索，也許不久的將來(lái)就會(huì)實(shí)現(xiàn)。
在失重的條件下，熔化了的金屬的液滴，形狀呈絕對(duì)球形，冷卻后可以成為理想的滾珠。而在地面上，用現(xiàn)代技術(shù)制成的滾珠，并不呈絕對(duì)球形，這是造成軸承磨損的重要原因之一。
玻璃纖維（一種很細(xì)的玻璃絲，直徑為幾十微米），是現(xiàn)代光纖通信的主要部件。在地面上不可能制成很長(zhǎng)玻璃纖維，因?yàn)闆](méi)等到液態(tài)的玻璃絲凝固，由于重力的作用，它將被拉成小段。而在太空的軌道上，將可以制造出幾百米長(zhǎng)的玻璃纖維。
在太空的軌道上，可以制成一種新的泡沫材料(泡沫金屬。在失重條件下，在液態(tài)的金屬中通以氣體，氣泡將不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣可以制成輕得像軟木塞似的泡沫鋼,用它做機(jī)翼,又輕又結(jié)實(shí)。
同樣的道理，在失重的條件下，混合物可以均勻地混合，由此可以制成地面上不能得到的特種使合金。
電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)等部門(mén)，對(duì)高純度材料的需要不斷增加，其純度要求為“6個(gè)9”至“8個(gè)9”，即99.9999%－99.999999%.在地面上,冶煉金屬需在容器內(nèi)進(jìn)行，總會(huì)有一些容器的微量元素?fù)饺氲奖灰睙挼慕饘僦?。而在太空中“懸浮冶煉”，是在失重條件下進(jìn)行的，不需要用容器，消除了容器對(duì)材料的污染，可以獲得純度極高的產(chǎn)品。
在電子技術(shù)中所用的晶體，在地面上生長(zhǎng)時(shí)，由于受重力的影響，晶體的大小受到限制，而且要受到容器的污染，在失重條件下，晶體的生長(zhǎng)是均勻的，生長(zhǎng)出來(lái)的晶體也要大得多。在不久的將來(lái)，如能在太空建立起工廠，生產(chǎn)出砷化鎵的純晶體，它要比現(xiàn)有的硅晶體優(yōu)越得多，將會(huì)引起電子技術(shù)的重大突破。
在太空失重的條件下，會(huì)生產(chǎn)出地面上難以生產(chǎn)的一系列產(chǎn)品。建立空間工廠，已經(jīng)不再是幻想?？茖W(xué)家們?cè)谔罩凶龈鞣N實(shí)驗(yàn)，青年學(xué)生也可以提出自己的太空實(shí)驗(yàn)設(shè)想，展開(kāi)你想像的翅膀，為宇宙開(kāi)發(fā)貢獻(xiàn)一份力量！
國(guó)際空間站進(jìn)行試驗(yàn)以減輕宇航員的失重不適
俄羅斯地面飛行控制中心發(fā)言人倫金說(shuō)，國(guó)際空間站第１８長(zhǎng)期考察組成員當(dāng)天在站內(nèi)進(jìn)行了一項(xiàng)醫(yī)學(xué)試驗(yàn)，其結(jié)果將有助于科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新方法，幫助宇航員在長(zhǎng)期飛行過(guò)程中保持工作效率。
據(jù)俄塔社報(bào)道，第１８長(zhǎng)期考察組的美國(guó)宇航員邁克·芬克當(dāng)天參加了一項(xiàng)代號(hào)為“項(xiàng)圈－Ｍ”的試驗(yàn)。邁克·芬克在大腿上佩戴一種由彈性材料制成的“項(xiàng)圈”，這種裝置對(duì)其大腿靜脈進(jìn)行有規(guī)律的擠壓。
倫金介紹說(shuō)，當(dāng)載人航天器起飛或降落時(shí)，由于處于失重狀態(tài)，宇航員會(huì)感到身體不適，從而影響其工作，而這種特制的“項(xiàng)圈”能阻止宇航員體內(nèi)血液過(guò)多流向腿部或頭部，減輕宇航員身體的不適感。他指出，這種特制“項(xiàng)圈”適合所有專(zhuān)業(yè)和非專(zhuān)業(yè)宇航員在短期或長(zhǎng)期太空旅行中使用。
這位發(fā)言人還指出，在上述試驗(yàn)中，超聲波儀器會(huì)同時(shí)對(duì)戴“項(xiàng)圈”的宇航員在不同失重階段的身體狀況進(jìn)行檢測(cè)，其研究結(jié)果將有助于科學(xué)家開(kāi)發(fā)出新方法，幫助宇航員在往返火星和地球等長(zhǎng)期飛行過(guò)程中保持工作效率。
我對(duì)“超重”、“失重”的理解
一、我對(duì)“人的感覺(jué)”的解讀
關(guān)于超重和失重的討論中，大家引用最多的一句話便是愛(ài)因斯坦所說(shuō)：超重和失重都是人的感覺(jué)。雖然，我們都不認(rèn)為這是愛(ài)因斯坦對(duì)超重和失重所下的科學(xué)定義。但是仔細(xì)思考和解讀這句話的深刻含義，無(wú)疑有助于我們理解和領(lǐng)悟超重和失重的本質(zhì)意義。我對(duì)這句話大致有這樣三層意思的認(rèn)識(shí)：
第一，人的感覺(jué)是人體對(duì)外界刺激的反應(yīng)，超重和失重的感覺(jué)其實(shí)就是與人體正常受重比較而產(chǎn)生的差異感。人對(duì)“正常受重”的感覺(jué)與身俱來(lái)。所以，判定是超重還是失重，只能與地面上物體所受的重力作比較才有意義。
第二，所謂“人的感覺(jué)”，強(qiáng)調(diào)的是觀察主體的確定，也即參考系的選擇。因此，這里“人的感覺(jué)”可以理解為：觀察者以自身為參考系，能夠在不借助外界信息輸入的情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察和比較獲得的判斷。
第三、所謂“人的感覺(jué)”體現(xiàn)的是人的共性，而非某個(gè)人的主觀判斷。如果對(duì)同一事物仁者見(jiàn)仁、智者見(jiàn)智，產(chǎn)生不同的“感覺(jué)”，顯然不能成為科學(xué)定義的前提。因此，這里所謂的“人”，必須是對(duì)同一事物具有完全相同“感覺(jué)”的抽象的主體。
如果認(rèn)同上面的三個(gè)結(jié)論，那么從物理學(xué)的角度看，所謂“超重”和“失重”就應(yīng)該是作變速運(yùn)動(dòng)的觀察者通過(guò)自身的觀察、實(shí)驗(yàn)和比較能夠發(fā)現(xiàn)和判斷的自身受力情況與其靜止于地球表面附近時(shí)的變化。
二、《辭?！分嘘P(guān)于超重和失重的解釋
為了進(jìn)一步理解超重和失重的意義，我們不妨再摘錄兩個(gè)《辭海》中關(guān)于超重和失重的條目：
超重：人和動(dòng)物在高加速運(yùn)動(dòng)中受到的力超過(guò)地心引力時(shí)的情況。這種情況發(fā)生于飛機(jī)的某些特殊飛行（如俯沖、直升時(shí)）以及宇宙飛船起飛和返回地面的過(guò)程中。超重過(guò)大會(huì)引起疼痛、出血、昏迷、甚至死亡。因此，超重是航空醫(yī)學(xué)中的一個(gè)重要課題。對(duì)超重的耐受力決定于加速度對(duì)身體的作用方向、作用面積分布和作用時(shí)間長(zhǎng)短等因素，以及保護(hù)裝備和訓(xùn)練等條件。（《辭?！?999年版2345頁(yè)）
失重：人和動(dòng)物由于地球吸引而有重量，當(dāng)同時(shí)受其他慣性力如離心力的作用時(shí)，若此力恰好抵消地球引力，就產(chǎn)生失重現(xiàn)象。這種情況在進(jìn)入軌道后的人造衛(wèi)星中發(fā)生；在飛機(jī)作特定的拋物線飛行時(shí)，亦出現(xiàn)短暫的失重現(xiàn)象。在失重條件下，人和動(dòng)物有暫時(shí)動(dòng)作失調(diào)的表現(xiàn)，但能適應(yīng)過(guò)來(lái)。在人造衛(wèi)星和載人宇宙飛船中的試驗(yàn)證明，人和動(dòng)物都能忍受相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期的失重。（《辭海》1999年版93頁(yè)）
看了《辭?！愤@兩個(gè)條目，我不禁在想，以其把超重和失重當(dāng)成物理學(xué)的概念來(lái)認(rèn)識(shí)，不如把它們看成兩個(gè)生命科學(xué)或者航空航天醫(yī)學(xué)的概念來(lái)理解更為貼切。雖然我們似乎仍然沒(méi)有找到期望中的關(guān)于“超重”和“失重”在物理學(xué)上的明確定義，但卻進(jìn)一步加深了對(duì)愛(ài)因斯坦關(guān)于“人的感覺(jué)”這句話的理解。
三、高一課本中關(guān)于超重和失重的描述和解釋
課本中關(guān)于超重和失重的描述是大家再熟悉不過(guò)了，請(qǐng)看高一課本中的兩例：（引入時(shí)文字已有部分增刪）（高中物理第一冊(cè)第61頁(yè) 人教社2003年第一版）
情景一：升降機(jī)以0.5m/s2的加速度勻加速上升，站在升降機(jī)里的人質(zhì)量是50kg，人對(duì)升降機(jī)地板的壓力有多大？如果人站在升降機(jī)里的測(cè)力計(jì)上，測(cè)力計(jì)的示數(shù)是多大？
通過(guò)計(jì)算得到人對(duì)地板的壓力是515N，測(cè)力計(jì)的示數(shù)也是515N，大于人受到的重力490N。從而得出結(jié)論：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的情況稱(chēng)為超重現(xiàn)象。
情景二：升降機(jī)加速下降的時(shí)候，人對(duì)升降機(jī)地板的壓力比人受到的重力小。于是得出結(jié)論：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的情況稱(chēng)為失重現(xiàn)象。
課本所描述的這兩個(gè)情景，是日常生活中最基本最常見(jiàn)的超重和失重現(xiàn)象。課本中用于解釋超重和失重的方法其實(shí)也是源于日常生活中的經(jīng)驗(yàn)的：我們不能直接測(cè)量重力的大小，但是可以測(cè)出由物體受重而引起的物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笮?lái)間接獲得重力的數(shù)值。這種測(cè)重的辦法是那樣的司空見(jiàn)慣、習(xí)以為常，因此人們往往已經(jīng)不再思考測(cè)力計(jì)上的示數(shù)為什么就是物體所受重力的大小。我們姑且把這種測(cè)量物體所受重力的方法叫做“示重法”。
但是，當(dāng)我們?nèi)匀谎赜蒙鲜龅姆椒▉?lái)測(cè)量正在作變速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)上的人的體重的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)測(cè)力計(jì)“不準(zhǔn)了”。“示重”有時(shí)候超過(guò)了“實(shí)重”，有時(shí)候卻又小于“示重”。根據(jù)示重變化的原因，我們就把這種示重大于實(shí)重的現(xiàn)象定義為“超重”，示重小于實(shí)重的現(xiàn)象定義為“失重”。（為了下文說(shuō)明問(wèn)題的方便，我們也不妨把這樣定義“超重”和“失重”的方法稱(chēng)其為“示重法”。）
“示重法”的優(yōu)點(diǎn)是貼近學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，易于為學(xué)生理解和接受。從高中物理必修課的教學(xué)需要看，讓學(xué)生通過(guò)這樣的實(shí)例領(lǐng)悟和感受“超重”和“失重”這兩種物理現(xiàn)象，已經(jīng)達(dá)到了大綱規(guī)定的要求，定位是合理的。但“示重法”的缺點(diǎn)也是明顯的，首先它沒(méi)有確定觀察者和參考系（須知，在慣性系和非慣性系中對(duì)超重和失重的表達(dá)是不一樣的）；其次，也沒(méi)有確定判斷超重還是失重的參考值。而默認(rèn)的參考值似乎是物體的“實(shí)重”，也即當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)匚矬w所受重力的大小。這和“人的感覺(jué)”說(shuō)法顯然是有矛盾的。因此試圖把“示重法”推而廣之去解釋所有的超重和失重現(xiàn)象必然會(huì)有困難和疑惑。不妨再舉幾例：
情景三：火箭始終以g/2的加速度豎直上升，升到某一高度時(shí)，測(cè)試儀器對(duì)平臺(tái)的壓力是在離開(kāi)地面前對(duì)平臺(tái)壓力的3/4，問(wèn)此時(shí)測(cè)試儀器處于超重還是失重狀態(tài)？這里儀器隨火箭向上作加速運(yùn)動(dòng)，儀器對(duì)平臺(tái)的壓力大于此時(shí)儀器所受的重力G’（=1/2mg）。按“示重法”的定義，“示重”大于“實(shí)重”，被判定為“超重”。（本題的參考答案最終也被確定為“超重”）我們的疑惑是，如果此時(shí)火箭平臺(tái)上站著的是一個(gè)人，那么此時(shí)此刻此人的感覺(jué)又是如何呢？
情景四：讓我們?cè)倩氐侥莻€(gè)作變速運(yùn)動(dòng)的升降機(jī)里。設(shè)想，如果升降機(jī)以>2g的加速度向下作加速運(yùn)動(dòng)。那么，此時(shí)升降機(jī)上測(cè)力計(jì)的示數(shù)是多少？而升降機(jī)里的人的感覺(jué)又怎么樣的呢？
情景五：還是那部升降機(jī)，如果它的加速度方向不再和重力方向在一條直線上，甚至恰好與重力方向正交，那么，此時(shí)升降機(jī)里的人還有沒(méi)有超重或者失重的感覺(jué)呢？
情景六：設(shè)想飛船載著旅客處在一個(gè)遠(yuǎn)離任何星球也即萬(wàn)有引力可以忽略的太空，而飛船還在作變速運(yùn)動(dòng)，那么此時(shí)此刻飛船里的人有沒(méi)有超重或失重的感覺(jué)呢？
…………
由此看來(lái)，“示重法”固然能使我們體驗(yàn)到超重和失重的真實(shí)情景，但卻無(wú)法對(duì)一般的超重和失重現(xiàn)象作出科學(xué)的定義和解釋。
四、解決問(wèn)題的鑰匙——引力和慣性力的等效原理
楊炳華老師在《重溫理想實(shí)驗(yàn)——“愛(ài)因斯坦電梯”》一文中對(duì)愛(ài)因斯坦電梯理想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)作了詳細(xì)和生動(dòng)的介紹，閱讀這篇短文我們能從中獲得怎樣的啟發(fā)和感悟呢？引力和加速度等效的原理，對(duì)于我們討論和分析超重和失重現(xiàn)象又有什么樣的現(xiàn)實(shí)意義呢？讓我們?cè)賮?lái)看一看高中物理第三冊(cè)（第93頁(yè)）中的一例，雖然這個(gè)例子只不過(guò)楊老師文中情景的翻版而已，但課本中對(duì)于現(xiàn)象的描述和解釋也許更接近我們所討論的主題。
假設(shè)一艘宇宙飛船停泊在某一行星的表面，宇航員放手使一個(gè)物體自由下落，測(cè)出那里的重力加速度為g。此后還是這艘飛船，但是飛行在遠(yuǎn)離任何星球的空間，它受的引力可以忽略。如果，這時(shí)飛船以加速度g做勻加速運(yùn)動(dòng)，宇航員同樣會(huì)測(cè)得艙內(nèi)物體相對(duì)于飛船的自由落體加速度是g。如果以飛船為參考系，我們可以說(shuō)，第一次是行星的引力使飛船中的物體產(chǎn)生了加速度，而第二次是物體受到的慣性力使它產(chǎn)生了同樣的加速度。
我們知道，物體所受的引力與物體的質(zhì)量成正比，即。而物體所受的慣性力也與物體的質(zhì)量成正比，即。盡管我們定義這兩種質(zhì)量的意義是不同的，前一種稱(chēng)為引力質(zhì)量，后一種稱(chēng)為慣性質(zhì)量，但實(shí)際上，這兩種質(zhì)量是不可區(qū)分的。到目前為止的一切實(shí)驗(yàn)研究，都沒(méi)有找到它們的區(qū)別。而且，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越相信，加速運(yùn)動(dòng)的參考系和萬(wàn)有引力之間可能存在著某種深刻的聯(lián)系。（這一段與課文中原文略有改動(dòng)）
課本中這段關(guān)于慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的描述和解釋?zhuān)聦?shí)上已經(jīng)為我們解決了正在爭(zhēng)論不休的問(wèn)題：既然在一個(gè)非慣性系中引力和慣性力所產(chǎn)生的效果是等效的，人的感覺(jué)并不能區(qū)分何是引力（重力），何是慣性力，那么當(dāng)我們?cè)谂卸ㄈ耍ㄎ矬w）是否處于超重（或失重）狀態(tài)時(shí)，也理所當(dāng)然地必須把引力和慣性力統(tǒng)一起來(lái)加于考慮。隨意拿出其中的某個(gè)力來(lái)分析超重或者失重狀態(tài)，或者試圖以其中的某個(gè)力和另一個(gè)力的比較（比如以慣性力和重力比較）來(lái)確定是超重還是失重都是難于周圓其說(shuō)的。而判定既非超重也非失重的參考值自然也只有一個(gè)，即人（物體）在地球表面附近所受的重力。據(jù)上分析，嘗試給出一個(gè)超重（失重）的定義：
在一個(gè)非慣性系中，如果物體所受的萬(wàn)有引力和慣性力的合力大于（小于）該物體在地球表面時(shí)所受的重力，則物體處于超重（失重）狀態(tài)。
不妨再引用一句三冊(cè)課本中的話，作為對(duì)上述定義的佐證：“以加速上升的電梯為參考系，我們可以認(rèn)為乘電梯的人除了受到重力外還受到一個(gè)向下的慣性力，重力和慣性力的合力使人感受到了超重?！?br/>依據(jù)以上的定義，不難得出在情景三所描述的例子中，物體實(shí)際上是處于失重狀態(tài)的。（讀者可以自行分析）
在對(duì)超重和的失重問(wèn)題的學(xué)習(xí)和思考過(guò)程中，使我再一次領(lǐng)略了愛(ài)因斯坦睿智和深邃的科學(xué)思想。偉大科學(xué)家的一句話，雖然語(yǔ)不驚人，含義卻非常深刻。改用古人的一句話，真可謂是“辨君一句話，勝讀十年書(shū)”了。假如我們不從“人的感覺(jué)”出發(fā)，確定以作變速運(yùn)動(dòng)的人（物體）為參考系來(lái)描述和定義，超重和失重的概念表達(dá)也許真會(huì)是“說(shuō)不清理還亂”的狀況。我想這恐怕也是高中物理必修教材并未給超重和失重下明確定義的緣故吧。
從高中物理課本第一冊(cè)到第三冊(cè)關(guān)于超重（失重）問(wèn)題描述和解釋的遞進(jìn)，不難看出，一個(gè)物理概念的定義并不一定是科學(xué)上不能為，有時(shí)候只是由于對(duì)不同層次教學(xué)目標(biāo)的定位不同，在教材編寫(xiě)的某一階段不可為而已。

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