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高空中物体的质量变化及趣味天文学探索

时间:2023-10-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:当时,这位飞行家做了三次试验,每次带的物体都不一样重,这样便可以知道当物体达到一定高度时,它的质量会发生什么样的变化。这意味着,2吨重的物体升高到11.3千米的高空后,质量会减少7千克!如果换成1千克重的砝码,则在该高度,它的质量会减少为996.5克。同样,1936年,飞行员尤马舍夫携带5000千克重的物体飞到8919米的高空时,物体的质量减少了14千克。

高空中物体的质量变化及趣味天文学探索

在上一节的讨论中,我们忽略了一个问题,即物体的重力会随着物体与地面距离的增大而减小。其实,万有引力就是我们口中的重力。根据牛顿定律,两个物体间的引力与它们之间距离的平方成反比。就是说,两个物体间的引力会随着距离的增大而减小。在计算重力时,我们总是习惯性地把地心当作地球质量的集中点,地球和物体之间的距离就是地心到物体的距离,等于物体与地面的距离和地球半径之和。6400千米高空,相当于地球半径的2倍,地球引力是地球表面引力的

如果把这一规律用于竖直向上发射的炮弹,由于炮弹在高空时受到重力的影响较小,它上升的高度明显比不考虑重力影响的情况大。假设炮弹的初速度为8000米/秒,如果考虑重力随高度变化的因素,炮弹能够达到的最大高度应该为6400千米,但如果对这个因素忽略不计,直接套用公式,得到的结果仅为该数值的一半。对此,我们可以通过下面的计算来进行验证。在物理学和力学中,假如一个物体竖直上升的初速度为v,重力加速度g不变,可以用以下公式来计算出它达到的最大高度:

其中,v=8000米/秒,g=9.8米/秒2

即:

可见,该数值差不多是地球半径(6400千米)的一半。此时忽略了重力随高度变化的影响,所以产生的误差非常大。炮弹升得越高,地球与炮弹之间的引力就越小,而炮弹的初速度保持不变,所以此时炮弹会升到更高的 位置。

要说明的是,我们没有怀疑传统物理公式的正确性的想法,在公式的适用范围内,它仍然是适用的。一般来说,在物体与地面离得不太远的前提下,完全可以忽略重力减小的影响。比方说,一个物体竖直上升的初速度是300米/秒,在该过程中,它的重力减小得并不明显,可以忽略不计,所以完全可以用上述公式来进行计算。

根据这一规律,如果火箭飞船升到高空,在离地球非常远的地方,重力是不是会变得很小呢?也可以这样说,一个物体在非常高的空中,质量会发生什么样的变化呢?1936年,一位叫康斯坦丁·康基纳奇的飞行家特意对此进行了实验。当时,这位飞行家做了三次试验,每次带的物体都不一样重,这样便可以知道当物体达到一定高度时,它的质量会发生什么样的变化。第一次,他带着0.5吨的物体升到了11458米的高空。第二次,他带着1吨的物体升到了12100米的高空。第三次,他带着2吨的物体抵达了11295米的高空。实验结果怎样呢?有的读者或许认为,地球的半径是6400千米,仅仅是在该基础上增加了12千米,变化很小,对质量的影响小到可以忽略不计。但实际结果却让我们大吃一惊,距离只增加了一点儿,物体的质量却轻了很多。

下面,就来具体分析一下第三次实验:物体在地面时的质量为2吨,飞在11295米的高空,相当于地面上的(分数写法)倍,因此物体在空中和地面所受到的引力之比为:(www.xing528.com)

所以,在11295米高空,物体的质量为:

利用近似值算法,得到的结果是1993千克。这意味着,2吨重的物体升高到11.3千米的高空后,质量会减少7千克!如果换成1千克重的砝码,则在该高度,它的质量会减少为996.5克。

事实上,此类例子数不胜数:俄国的一艘平流层飞艇飞到22千米的高空时,发现每千克质量减少了7克。同样,1936年,飞行员尤马舍夫携带5000千克重的物体飞到8919米的高空时,物体的质量减少了14千克。

依据上述方法,我们可以来分析一下下面两种情况:

(1)1936年11月4日,飞行员阿列克谢耶夫携带1吨重的物体飞到12695米的高空时,物体质量的变化情况如何?

(2)1936年11月11日,飞行员纽赫季科夫携带10吨重的物体飞到7032米的高空时,物体质量的变化情况又如何?

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