人造航天器中的超重、失重现象探究

■傅明峰

人造航天器(如地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等)发射成功以来,人们可以更加直观地观察到超重和失重现象。人造航天器在加速上升阶段,其中的人和物体处于超重状态,人和物体对其下方接触物的压力是其自身重力的几倍;人造航天器进入轨道运行之后,其中的人和物体处于完全失重状态,人和物体对其下方接触物没有压力。下面就在人造航天器中极易出现的超重和失重现象的本质进行探究,与大家共赏。

一、对超重和失重现象的理解

1.视重:当物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上时,弹簧测力计或台秤的示数称为“视重”,大小等于弹簧测力计所受的拉力或台秤所受的压力。

2.超重和失重的比较见表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减少,而是物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力(视重)不再等于物体的重力,物体的重力依然存在且大小不变。超重和失重与物体的速度无关,只取决于加速度的方向,“加速上升”和“减速下降”都是超重,“加速下降”和“减速上升”都是失重;在所有绕地球做圆周运动的人造航天器中,一切物体都处于完全失重状态,平常由重力产生的物理现象都会消失。

二、超重和失重知识的应用

例1 下列关于超重和失重的说法中不正确的是( )。

A.超重就是物体的重力增加了

B.失重就是物体的重力减少了

C.完全失重就是物体的重力没有了

D.不论是超重、失重,还是完全失重,物体所受的重力是不变的

当物体对接触面的作用力大于物体的重力时,物体处于超重状态,具有向上的加速度;当物体对接触面的作用力小于物体的重力时,物体处于失重状态,具有向下的加速度;当物体对接触面的作用力等于0时,物体处于完全失重状态,向下的加速度大小等于重力加速度g。因此超重时物体的重力并没有增加,失重时物体的重力并没有减小,完全失重时物体的重力也不变,只是物体对接触面的作用力与重力不再相等了。

答案:D

本题主要考查对超重和失重现象本质的理解。物体处于超重、失重或完全失重状态时,本身的重力并没有变化,只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力(视重)改变了。

例2 2013 年6 月21 日10 时许,在距离地面300km 的太空中,世界上最大的课堂开课,这是中国首次太空授课,也是中国第一次利用航天飞行开展科普教育的尝试。2021年10月16日“神舟十三号”载人飞船发射成功,飞船入轨后,采用了自主快速交会对接模式,与“天和”核心舱、“天舟二号”、“天舟三号”货运飞船形成组合体,翟志刚、王亚平、叶光富三位航天员顺利进驻“天和”核心舱。下列说法中正确的是( )。

A.研究飞船发射过程中在竖直方向上的运动时,加速上升阶段飞船内的航天员处于失重状态

B.研究飞船回收过程中在竖直方向上的运动时,减速下降阶段飞船内的航天员处于超重状态

C.研究“天和”核心舱在轨道上绕地球做匀速圆周运动时,若舱内实验桌上一探测仪与“天和”保持相对静止,则该探测仪一定受到舱内实验桌的支持力

D.研究“天和”核心舱在轨道上绕地球做匀速圆周运动时,若舱内实验桌上一探测仪与“天和”保持相对静止,则该探测仪处于完全失重状态

当飞船加速上升或减速下降时,具有向上的加速度,飞船内的航天员处于超重状态,选项A 错误,B 正确。当“天和”核心舱在轨道上绕地球做匀速圆周运动时,万有引力提供向心力,舱内物体随“天和”一起做匀速圆周运动,只受万有引力,处于完全失重状态,选项C错误,D 正确。

答案:BD

本题主要考查人造航天器中的超重和失重现象。求解本题的关键是掌握超重和失重现象的力学特征,以及运动学特征。

例3 质量m=1800kg的火星探测器成功发射并顺利降落在火星表面,现地面工作人员发出指令启动探测器的发动机,使其从火星的表面竖直升空进行相关科研探测。该探测器发射升空后第9s末,发动机因故障而突然熄火。该探测器从发射到落回行星表面全过程的速度—时间图像如图1 所示。已知发动机提供的推力恒定,火星表面没有大气,忽略探测器总质量的变化。

图1

(1)分析该探测器在各个阶段加速度的大小,并判断其超重或失重情况。

(2)求发动机正常工作时提供的推力F。

本题结合速度—时间图像考查火星探测器在火星表面附近的超重和失重现象。明确速度—时间图像的斜率表示加速度,依据加速度的方向可以判断超重和失重情况,结合牛顿第二定律可以求出推力F。

1.在太空站的完全失重环境中,下列仪器不能继续使用的是( )。

A.水银温度计 B.天平

C.打点计时器 D.弹簧测力计

2.2014年12月7日,中国和巴西联合研制的地球资源卫星04 星在太原成功发射升空。利用04星获取的影像图可广泛应用于两国的农作物估产、环境保护与监测、国土资源勘查和灾害监测等多个领域。在运载火箭加速上升的过程中,假设火箭中有一个质量为2kg的物体静止放置在台式弹簧测力计上,则测力计的示数可能是( )。

A.20N B.10N

C.40N D.0

3.某校科技兴趣小组观察“神舟十三号”的发射过程后,用实验来模拟卫星的发射。火箭点燃后从地面竖直升空,t1时刻第一级火箭燃料燃尽后脱落,t2时刻第二级火箭燃料燃尽后脱落,此后不再有燃料燃烧。实验中测得火箭的v-t图像如图2所示,设燃料燃烧时产生的推力大小恒定,不计空气阻力。下列说法中正确的是( )。

图2

A.t2时刻火箭到达最高点,t3时刻火箭落回地面

B.火箭在t2～t3时间内的加速度大小大于重力加速度

C.火箭在0～t1时间内的加速度大于在t1～t2时间内的加速度

D.火箭在t1～t2时间内处于超重状态,在t2～t3时间内处于失重状态

参考答案:1.B 2.C 3.D