资源简介

完全失重情况下的一些物理现象
人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等 航天器进入轨道后，其中的人和物将处于失重状态。航天器进入轨道后可以近似认为是绕地球做圆周运动，做圆周运动的物体的速度方向是时刻改变的，因而具有加速度，它的大小等于卫星所在高度处的重力的大小。这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似，航天器中的人和物都处于完全失重状态。
你能够想像出失重的条件下会发生什么现象吗？你设想地球上一旦重力消失，会发生什么现象，在宇宙飞船中就会发生什么现象。物体将飘在空中，液滴呈绝对球形，气泡在液体中将污泥浊水 上浮。宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服，走路务必小心，稍有不慎，将“上不着天，下不着地”食物要做成块状或牙膏似的糊状，以免食物的碎渣“漂浮”在空中，进入宇航员的眼睛、鼻孔……你还可以继续发挥你的想像力，举出更多的现象来。
你还可以再想一想，人类能够利用失重的条件做些什么？下面举几个事例，将会帮助你思考。这里所举的事例虽然还没有完全实现，但科学家们正在努力探索，也许不久的将来就会实现。
在失重的条件下，熔化了的金属的液滴，形状呈绝对球形，冷却后可以成为理想的滚珠。而在地面上，用现代技术制成的滚珠，并不呈绝对球形，这是造成轴承磨损的重要原因之一。
玻璃纤维（一种很细的玻璃丝，直径为几十微米），是现代光纤通信的主要部件。在地面上不可能制成很长玻璃纤维，因为没等到液态的玻璃丝凝固，由于重力的作用，它将被拉成小段。而在太空的轨道上，将可以制造出几百米长的玻璃纤维。
在太空的轨道上，可以制成一种新的泡沫材料(泡沫金属。在失重条件下，在液态的金属中通以气体，气泡将不“上浮”，也不“下沉”，均匀地分布在液态金属中，凝固后就成为泡沫金属，这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼,又轻又结实。
同样的道理，在失重的条件下，混合物可以均匀地混合，由此可以制成地面上不能得到的特种使合金。
电子工业、化学工业、核工业等部门，对高纯度材料的需要不断增加，其纯度要求为“6个9”至“8个9”，即99.9999%－99.999999%.在地面上,冶炼金属需在容器内进行，总会有一些容器的微量元素掺入到被冶炼的金属中。而在太空中“悬浮冶炼”，是在失重条件下进行的，不需要用容器，消除了容器对材料的污染，可以获得纯度极高的产品。
在电子技术中所用的晶体，在地面上生长时，由于受重力的影响，晶体的大小受到限制，而且要受到容器的污染，在失重条件下，晶体的生长是均匀的，生长出来的晶体也要大得多。在不久的将来，如能在太空建立起工厂，生产出砷化镓的纯晶体，它要比现有的硅晶体优越得多，将会引起电子技术的重大突破。
在太空失重的条件下，会生产出地面上难以生产的一系列产品。建立空间工厂，已经不再是幻想。科学家们在太空中做各种实验，青年学生也可以提出自己的太空实验设想，展开你想像的翅膀，为宇宙开发贡献一份力量！
国际空间站进行试验以减轻宇航员的失重不适
俄罗斯地面飞行控制中心发言人伦金说，国际空间站第１８长期考察组成员当天在站内进行了一项医学试验，其结果将有助于科学家开发出新方法，帮助宇航员在长期飞行过程中保持工作效率。
据俄塔社报道，第１８长期考察组的美国宇航员迈克·芬克当天参加了一项代号为“项圈－Ｍ”的试验。迈克·芬克在大腿上佩戴一种由弹性材料制成的“项圈”，这种装置对其大腿静脉进行有规律的挤压。
伦金介绍说，当载人航天器起飞或降落时，由于处于失重状态，宇航员会感到身体不适，从而影响其工作，而这种特制的“项圈”能阻止宇航员体内血液过多流向腿部或头部，减轻宇航员身体的不适感。他指出，这种特制“项圈”适合所有专业和非专业宇航员在短期或长期太空旅行中使用。
这位发言人还指出，在上述试验中，超声波仪器会同时对戴“项圈”的宇航员在不同失重阶段的身体状况进行检测，其研究结果将有助于科学家开发出新方法，帮助宇航员在往返火星和地球等长期飞行过程中保持工作效率。
我对“超重”、“失重”的理解
一、我对“人的感觉”的解读
关于超重和失重的讨论中，大家引用最多的一句话便是爱因斯坦所说：超重和失重都是人的感觉。虽然，我们都不认为这是爱因斯坦对超重和失重所下的科学定义。但是仔细思考和解读这句话的深刻含义，无疑有助于我们理解和领悟超重和失重的本质意义。我对这句话大致有这样三层意思的认识：
第一，人的感觉是人体对外界刺激的反应，超重和失重的感觉其实就是与人体正常受重比较而产生的差异感。人对“正常受重”的感觉与身俱来。所以，判定是超重还是失重，只能与地面上物体所受的重力作比较才有意义。
第二，所谓“人的感觉”，强调的是观察主体的确定，也即参考系的选择。因此，这里“人的感觉”可以理解为：观察者以自身为参考系，能够在不借助外界信息输入的情况下，通过实验、观察和比较获得的判断。
第三、所谓“人的感觉”体现的是人的共性，而非某个人的主观判断。如果对同一事物仁者见仁、智者见智，产生不同的“感觉”，显然不能成为科学定义的前提。因此，这里所谓的“人”，必须是对同一事物具有完全相同“感觉”的抽象的主体。
如果认同上面的三个结论，那么从物理学的角度看，所谓“超重”和“失重”就应该是作变速运动的观察者通过自身的观察、实验和比较能够发现和判断的自身受力情况与其静止于地球表面附近时的变化。
二、《辞海》中关于超重和失重的解释
为了进一步理解超重和失重的意义，我们不妨再摘录两个《辞海》中关于超重和失重的条目：
超重：人和动物在高加速运动中受到的力超过地心引力时的情况。这种情况发生于飞机的某些特殊飞行（如俯冲、直升时）以及宇宙飞船起飞和返回地面的过程中。超重过大会引起疼痛、出血、昏迷、甚至死亡。因此，超重是航空医学中的一个重要课题。对超重的耐受力决定于加速度对身体的作用方向、作用面积分布和作用时间长短等因素，以及保护装备和训练等条件。（《辞海》1999年版2345页）
失重：人和动物由于地球吸引而有重量，当同时受其他惯性力如离心力的作用时，若此力恰好抵消地球引力，就产生失重现象。这种情况在进入轨道后的人造卫星中发生；在飞机作特定的抛物线飞行时，亦出现短暂的失重现象。在失重条件下，人和动物有暂时动作失调的表现，但能适应过来。在人造卫星和载人宇宙飞船中的试验证明，人和动物都能忍受相当长时期的失重。（《辞海》1999年版93页）
看了《辞海》这两个条目，我不禁在想，以其把超重和失重当成物理学的概念来认识，不如把它们看成两个生命科学或者航空航天医学的概念来理解更为贴切。虽然我们似乎仍然没有找到期望中的关于“超重”和“失重”在物理学上的明确定义，但却进一步加深了对爱因斯坦关于“人的感觉”这句话的理解。
三、高一课本中关于超重和失重的描述和解释
课本中关于超重和失重的描述是大家再熟悉不过了，请看高一课本中的两例：（引入时文字已有部分增删）（高中物理第一册第61页 人教社2003年第一版）
情景一：升降机以0.5m/s2的加速度匀加速上升，站在升降机里的人质量是50kg，人对升降机地板的压力有多大？如果人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？
通过计算得到人对地板的压力是515N，测力计的示数也是515N，大于人受到的重力490N。从而得出结论：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的情况称为超重现象。
情景二：升降机加速下降的时候，人对升降机地板的压力比人受到的重力小。于是得出结论：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的情况称为失重现象。
课本所描述的这两个情景，是日常生活中最基本最常见的超重和失重现象。课本中用于解释超重和失重的方法其实也是源于日常生活中的经验的：我们不能直接测量重力的大小，但是可以测出由物体受重而引起的物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大小来间接获得重力的数值。这种测重的办法是那样的司空见惯、习以为常，因此人们往往已经不再思考测力计上的示数为什么就是物体所受重力的大小。我们姑且把这种测量物体所受重力的方法叫做“示重法”。
但是，当我们仍然沿用上述的方法来测量正在作变速运动的升降机上的人的体重的时候，却发现测力计“不准了”。“示重”有时候超过了“实重”，有时候却又小于“示重”。根据示重变化的原因，我们就把这种示重大于实重的现象定义为“超重”，示重小于实重的现象定义为“失重”。（为了下文说明问题的方便，我们也不妨把这样定义“超重”和“失重”的方法称其为“示重法”。）
“示重法”的优点是贴近学生的生活经验，易于为学生理解和接受。从高中物理必修课的教学需要看，让学生通过这样的实例领悟和感受“超重”和“失重”这两种物理现象，已经达到了大纲规定的要求，定位是合理的。但“示重法”的缺点也是明显的，首先它没有确定观察者和参考系（须知，在惯性系和非惯性系中对超重和失重的表达是不一样的）；其次，也没有确定判断超重还是失重的参考值。而默认的参考值似乎是物体的“实重”，也即当时当地物体所受重力的大小。这和“人的感觉”说法显然是有矛盾的。因此试图把“示重法”推而广之去解释所有的超重和失重现象必然会有困难和疑惑。不妨再举几例：
情景三：火箭始终以g/2的加速度竖直上升，升到某一高度时，测试仪器对平台的压力是在离开地面前对平台压力的3/4，问此时测试仪器处于超重还是失重状态？这里仪器随火箭向上作加速运动，仪器对平台的压力大于此时仪器所受的重力G’（=1/2mg）。按“示重法”的定义，“示重”大于“实重”，被判定为“超重”。（本题的参考答案最终也被确定为“超重”）我们的疑惑是，如果此时火箭平台上站着的是一个人，那么此时此刻此人的感觉又是如何呢？
情景四：让我们再回到那个作变速运动的升降机里。设想，如果升降机以>2g的加速度向下作加速运动。那么，此时升降机上测力计的示数是多少？而升降机里的人的感觉又怎么样的呢？
情景五：还是那部升降机，如果它的加速度方向不再和重力方向在一条直线上，甚至恰好与重力方向正交，那么，此时升降机里的人还有没有超重或者失重的感觉呢？
情景六：设想飞船载着旅客处在一个远离任何星球也即万有引力可以忽略的太空，而飞船还在作变速运动，那么此时此刻飞船里的人有没有超重或失重的感觉呢？
…………
由此看来，“示重法”固然能使我们体验到超重和失重的真实情景，但却无法对一般的超重和失重现象作出科学的定义和解释。
四、解决问题的钥匙——引力和惯性力的等效原理
杨炳华老师在《重温理想实验——“爱因斯坦电梯”》一文中对爱因斯坦电梯理想实验已经作了详细和生动的介绍，阅读这篇短文我们能从中获得怎样的启发和感悟呢？引力和加速度等效的原理，对于我们讨论和分析超重和失重现象又有什么样的现实意义呢？让我们再来看一看高中物理第三册（第93页）中的一例，虽然这个例子只不过杨老师文中情景的翻版而已，但课本中对于现象的描述和解释也许更接近我们所讨论的主题。
假设一艘宇宙飞船停泊在某一行星的表面，宇航员放手使一个物体自由下落，测出那里的重力加速度为g。此后还是这艘飞船，但是飞行在远离任何星球的空间，它受的引力可以忽略。如果，这时飞船以加速度g做匀加速运动，宇航员同样会测得舱内物体相对于飞船的自由落体加速度是g。如果以飞船为参考系，我们可以说，第一次是行星的引力使飞船中的物体产生了加速度，而第二次是物体受到的惯性力使它产生了同样的加速度。
我们知道，物体所受的引力与物体的质量成正比，即。而物体所受的惯性力也与物体的质量成正比，即。尽管我们定义这两种质量的意义是不同的，前一种称为引力质量，后一种称为惯性质量，但实际上，这两种质量是不可区分的。到目前为止的一切实验研究，都没有找到它们的区别。而且，科学家们越来越相信，加速运动的参考系和万有引力之间可能存在着某种深刻的联系。（这一段与课文中原文略有改动）
课本中这段关于惯性质量和引力质量的描述和解释，事实上已经为我们解决了正在争论不休的问题：既然在一个非惯性系中引力和惯性力所产生的效果是等效的，人的感觉并不能区分何是引力（重力），何是惯性力，那么当我们在判定人（物体）是否处于超重（或失重）状态时，也理所当然地必须把引力和惯性力统一起来加于考虑。随意拿出其中的某个力来分析超重或者失重状态，或者试图以其中的某个力和另一个力的比较（比如以惯性力和重力比较）来确定是超重还是失重都是难于周圆其说的。而判定既非超重也非失重的参考值自然也只有一个，即人（物体）在地球表面附近所受的重力。据上分析，尝试给出一个超重（失重）的定义：
在一个非惯性系中，如果物体所受的万有引力和惯性力的合力大于（小于）该物体在地球表面时所受的重力，则物体处于超重（失重）状态。
不妨再引用一句三册课本中的话，作为对上述定义的佐证：“以加速上升的电梯为参考系，我们可以认为乘电梯的人除了受到重力外还受到一个向下的惯性力，重力和惯性力的合力使人感受到了超重。”
依据以上的定义，不难得出在情景三所描述的例子中，物体实际上是处于失重状态的。（读者可以自行分析）
在对超重和的失重问题的学习和思考过程中，使我再一次领略了爱因斯坦睿智和深邃的科学思想。伟大科学家的一句话，虽然语不惊人，含义却非常深刻。改用古人的一句话，真可谓是“辨君一句话，胜读十年书”了。假如我们不从“人的感觉”出发，确定以作变速运动的人（物体）为参考系来描述和定义，超重和失重的概念表达也许真会是“说不清理还乱”的状况。我想这恐怕也是高中物理必修教材并未给超重和失重下明确定义的缘故吧。
从高中物理课本第一册到第三册关于超重（失重）问题描述和解释的递进，不难看出，一个物理概念的定义并不一定是科学上不能为，有时候只是由于对不同层次教学目标的定位不同，在教材编写的某一阶段不可为而已。

展开更多......

收起↑