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姚铎俟教育

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超、失重的本质内涵与外延  

2013-09-03 07:56:46|  分类: 教学科研 |  标签: |举报 |字号 订阅

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题记:随着我国航天事业的发展,有关航天事业的科普介绍文章中经常提到超重、失重、重力等概念。然而,科普文章中的超重、失重、重力与学术中的超重、失重、重力在科学概念上是完全一样吗?要回答这个问题,首先要知道超、失重概念的提出背景,也即要明确超、失重的本质内涵与外延;其次也要辨析科普文章使用超重、失重、重力的实际原因。本文在点评一篇论文中,注意到这样一个问题,下文是笔者部分点评内容,请阅者不用于商业目的,若需引用,请注明出处,并联系我。谢谢!

航天事业中需要培养优秀的航天员,而航天员对超重环境的适用能力及抗压能力是重要的训练科目之一。这一科目的训练既可以在竖直面内进行,也可以在水平面内进行,训练的方法却是一样,那就是让航天员随“航天仓”一起做圆周运动。有些科普书籍为了形象地介绍航天员这一训练科目的力学原理,使用了人造重力、人造超重、人造失重等词汇。事实上使用这些词汇,是因为衡量航天员的抗压能力以自身重力为标准,由所能承受的最大压力与自身重力的倍数来表示。

这些词汇与习惯意义上的超重、失重状态相容吗?如果说相容,那么是否可以得出下面结论——在水平方向做圆周运动的物体,若其向心加速度小于g,则被认为处于失重状态,若其向心加速度大于g,则为超重状态,若其向心加速等于g,则认为人造了一个重力?如是答案是肯定的,那么也产生这样的疑惑,何种情景下为“完全失重”状态呢?此外,值得注意的是,航天员的抗压能力可以用旋转航天仓的向心加速度(与重力加速度的比值)表示,似乎也沿用了“判据”的“加速度”判别原则。

《剖析》认为,教材针对特定情景引出了超、失重现象;笔者则认为,超、失重现象本身就是一种特定情景,而且要与平衡状态进行比较。支持物/悬挂物(假象支持物/悬挂物)——为方便,不妨假设为台式/吊式体重计——与物体接触并一起在竖直方向上运动,那么具有下面四种情况:

1. 如果物体静止或匀速直线运动,则两物体间的弹力等于重力,即体重计示数等于物体所受重力,物体处于平衡状态;

2. 如果具有向上的加速度,则弹力大于重力,即示数大于重力,为超重状态;

3. 如果具有向下的加速度(大小不大于g),则弹力小于重力,即示数小于重力,处于失重状态;

4. 如果具有向下的加速度且大小大于g时,尽管两物体的弹力不为零,但体重计要么不能显示示数,要么显示的示数为负值。

《剖析》一文强调超、失重现象的物理本质内涵,但通篇都没有指出其本质内涵到底是什么。笔者认为,以上四种情形不仅仅确立了超、失重现象的内涵,而且限定了它们的外延。讨论超、失重现象要回避水平方向的运动情景及加速度方向向下、大小大于g的运动情景;换言之,这两种运动情景,回归牛顿运动定律这一更加本质的规律上来讨论,既方便,也深刻。

值得注意,在密闭仓内或太空仓中,上下左右方位似乎没有区别,但是一旦相对于习惯意义上的地球而言,上下方位是确定的。我们称太空舱提供了失重环境,原因是太空舱具有指向地心的向心加速度,且向心加速度等于该高度的重力加速度。

确立的超、失重现象的内涵和外延后,“判据”的有效性显而易见,难怪有些教科书和教辅,把“判据”理解为超、失重现象的本质内涵。尽管如此,笔者需要指出,不管我们怎样理解超、失重现象,牛顿运动定律才是经典力学下的核心;而且牛顿运动定律应该足以解释超、失重现象。

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