人造航天器中的超重、失重現象探究

■傅明峰

人造航天器(如地球衛星、宇宙飛船、航天飛機等)發射成功以來,人們可以更加直觀地觀察到超重和失重現象。人造航天器在加速上升階段,其中的人和物體處于超重狀態,人和物體對其下方接觸物的壓力是其自身重力的幾倍;人造航天器進入軌道運行之后,其中的人和物體處于完全失重狀態,人和物體對其下方接觸物沒有壓力。下面就在人造航天器中極易出現的超重和失重現象的本質進行探究,與大家共賞。

一、對超重和失重現象的理解

1.視重:當物體掛在彈簧測力計下或放在水平臺秤上時,彈簧測力計或臺秤的示數稱為“視重”,大小等于彈簧測力計所受的拉力或臺秤所受的壓力。

2.超重和失重的比較見表1。

表1

3.深度理解:超重和失重都是假象,它不是重力的增加或減少,而是物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力(視重)不再等于物體的重力,物體的重力依然存在且大小不變。超重和失重與物體的速度無關,只取決于加速度的方向,“加速上升”和“減速下降”都是超重,“加速下降”和“減速上升”都是失重;在所有繞地球做圓周運動的人造航天器中,一切物體都處于完全失重狀態,平常由重力產生的物理現象都會消失。

二、超重和失重知識的應用

例1 下列關于超重和失重的說法中不正確的是( )。

A.超重就是物體的重力增加了

B.失重就是物體的重力減少了

C.完全失重就是物體的重力沒有了

D.不論是超重、失重,還是完全失重,物體所受的重力是不變的

當物體對接觸面的作用力大于物體的重力時,物體處于超重狀態,具有向上的加速度;當物體對接觸面的作用力小于物體的重力時,物體處于失重狀態,具有向下的加速度;當物體對接觸面的作用力等于0時,物體處于完全失重狀態,向下的加速度大小等于重力加速度g。因此超重時物體的重力并沒有增加,失重時物體的重力并沒有減小,完全失重時物體的重力也不變,只是物體對接觸面的作用力與重力不再相等了。

答案:D

本題主要考查對超重和失重現象本質的理解。物體處于超重、失重或完全失重狀態時,本身的重力并沒有變化,只是對支持物的壓力或對懸掛物的拉力(視重)改變了。

例2 2013 年6 月21 日10 時許,在距離地面300km 的太空中,世界上最大的課堂開課,這是中國首次太空授課,也是中國第一次利用航天飛行開展科普教育的嘗試。2021年10月16日“神舟十三號”載人飛船發射成功,飛船入軌后,采用了自主快速交會對接模式,與“天和”核心艙、“天舟二號”、“天舟三號”貨運飛船形成組合體,翟志剛、王亞平、葉光富三位航天員順利進駐“天和”核心艙。下列說法中正確的是( )。

A.研究飛船發射過程中在豎直方向上的運動時,加速上升階段飛船內的航天員處于失重狀態

B.研究飛船回收過程中在豎直方向上的運動時,減速下降階段飛船內的航天員處于超重狀態

C.研究“天和”核心艙在軌道上繞地球做勻速圓周運動時,若艙內實驗桌上一探測儀與“天和”保持相對靜止,則該探測儀一定受到艙內實驗桌的支持力

D.研究“天和”核心艙在軌道上繞地球做勻速圓周運動時,若艙內實驗桌上一探測儀與“天和”保持相對靜止,則該探測儀處于完全失重狀態

當飛船加速上升或減速下降時,具有向上的加速度,飛船內的航天員處于超重狀態,選項A 錯誤,B 正確。當“天和”核心艙在軌道上繞地球做勻速圓周運動時,萬有引力提供向心力,艙內物體隨“天和”一起做勻速圓周運動,只受萬有引力,處于完全失重狀態,選項C錯誤,D 正確。

答案:BD

本題主要考查人造航天器中的超重和失重現象。求解本題的關鍵是掌握超重和失重現象的力學特征,以及運動學特征。

例3 質量m=1800kg的火星探測器成功發射并順利降落在火星表面,現地面工作人員發出指令啟動探測器的發動機,使其從火星的表面豎直升空進行相關科研探測。該探測器發射升空后第9s末,發動機因故障而突然熄火。該探測器從發射到落回行星表面全過程的速度—時間圖像如圖1 所示。已知發動機提供的推力恒定,火星表面沒有大氣,忽略探測器總質量的變化。

圖1

(1)分析該探測器在各個階段加速度的大小,并判斷其超重或失重情況。

(2)求發動機正常工作時提供的推力F。

本題結合速度—時間圖像考查火星探測器在火星表面附近的超重和失重現象。明確速度—時間圖像的斜率表示加速度,依據加速度的方向可以判斷超重和失重情況,結合牛頓第二定律可以求出推力F。

1.在太空站的完全失重環境中,下列儀器不能繼續使用的是( )。

A.水銀溫度計 B.天平

C.打點計時器 D.彈簧測力計

2.2014年12月7日,中國和巴西聯合研制的地球資源衛星04 星在太原成功發射升空。利用04星獲取的影像圖可廣泛應用于兩國的農作物估產、環境保護與監測、國土資源勘查和災害監測等多個領域。在運載火箭加速上升的過程中,假設火箭中有一個質量為2kg的物體靜止放置在臺式彈簧測力計上,則測力計的示數可能是( )。

A.20N B.10N

C.40N D.0

3.某校科技興趣小組觀察“神舟十三號”的發射過程后,用實驗來模擬衛星的發射。火箭點燃后從地面豎直升空,t1時刻第一級火箭燃料燃盡后脫落,t2時刻第二級火箭燃料燃盡后脫落,此后不再有燃料燃燒。實驗中測得火箭的v-t圖像如圖2所示,設燃料燃燒時產生的推力大小恒定,不計空氣阻力。下列說法中正確的是( )。

圖2

A.t2時刻火箭到達最高點,t3時刻火箭落回地面

B.火箭在t2～t3時間內的加速度大小大于重力加速度

C.火箭在0～t1時間內的加速度大于在t1～t2時間內的加速度

D.火箭在t1～t2時間內處于超重狀態,在t2～t3時間內處于失重狀態

參考答案:1.B 2.C 3.D