浅谈高中物理中超重和失重的原理及其在生活中的应用

时间：2022-09-03 08:20:04 来源：千叶帆本文已影响人

　　摘要：超重和失重是常见的物理现象，也是物理学中重要和典型的应用知识点。其内容虽然简单，但由于同学们普遍缺乏对它们直接感性认识，导致理解起来有点抽象。其实人们平常生活中遇到过许多超重和失重的现象，而且各行各业关于它们也都有不同程度的运用。本文简要介绍了超重和失重的概念、原理以及在生活中的应用，帮助人们进一步了解超重和失重。
　　关键词：高中失重生活应用
　　一：什么是超重和失重
　　超重（overweight）和失重（weightlessness）是大多数人都经历过的状态，用物理专业的术语来说，超重就是物体对支持物的压力（或对悬绳的拉力）大于物体所受重力，失重就是物体对支持物的压力（或对悬绳的拉力）小于物体所受重力。相信这些概念大家在书本上课堂上都已经听过无数遍，可这些术语并不容易记忆，虽然听了无数遍但还是背不下来，其实能不能背下这段拗口的文字并没有多大区别，只要能将超重和失重这两个概念进行区分就可以了，通俗一点说，超重就是你坐电梯时上升时的状态，失重就是你坐电梯时下降时的状态。
　　二：超重和失重的原理
　　超重和失重是我们很早就接触的物理概念，它们是牛顿第二定律中一个重要的知识点。简单来说，一个物体无论向上运动还是向下运动，只要加速度向上，就是超重，相反，加速度向下就是失重。失重当中又有个特殊情况，即完全失重，就是当物体加速度等于重力加速度时，此物体就处于完全失重状态。
　　三：超重和失重在生活中的应用
　　（1）在航天方面的应用
　　超重和失重在航天方面的应用非常重要。现在很多科幻电影里都会出现这样的场景：一艘装备无数先进技术的星际飞船穿梭在浩瀚宇宙中，飞船中的宇航员可以直接将食物抛在空中，食物会在空中四处飘荡而不是直接下落，宇航员可以跳起来用嘴去接那些食物而不用担心食物掉到地上。这虽然是科幻电影中的场景，但是很多是符合目前发现的科学规律的，因为在太空中人和食物不再受到地球的引力，都处在失重的状态，唯一不同的是，电影中的宇航员看起来很轻松很快乐，但真实世界中宇航员要想能够进入太空，并适应失重的状态需要经过一系列复杂艰苦的训练。宇航员在进行训练适应太空的失重状态时，需要乘坐大飞机被带到地面数百万米的高空，然后让飞机关闭动力在空中做自由落体运动，竖直下坠，这样里面的宇航员就获得失重的环境，便于适应并了解失重的环境。除此之外，飞行员和宇航员往往还需要接受超重训练，以适应飞机加速上升时的超重状态。航天局使用离心机在地面实现超重情况，开启离心机可以获得数个g的加速度，在里面会很痛苦，飞行员要经过非常漫长艰苦的训练才能适应超重的状态。进行失重和超重训练是航天员进入太空必须经过的挑战，也可见它们的重要性之大。
　　（2）在工业方面的应用
　　超重和失重的现象也经常出现在工业生产中，很多工程师也开始使用相关知识应用于工业方面，由此解决生产中出现的问题并提高生产效率及产能。在器件制作方面，在很多仪器中需要球状的金属零件，工业制作金属零件一般都是根据液体凝固原理，将液体金属灌入模具或者自然成形，然后凝固成金属固体。传统的制作滚珠的工艺是在常规环境下进行的，制作出来的并不呈绝对球形，也正是由于表面不光滑，所以会导致轴承磨损等问题。正常环境下由于重力的存在很难获得规整的球形，所以很多工厂开始在失重条件下制作球形零件，因为失重条件下融化了的金属液滴形状能呈绝对球形，冷却后可以成为理想的滚珠。玻璃纤维是现代光纤通信的主要部件，但正常环境下很难制作很长玻璃纤维，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，但在失重状态下就不会有这种困扰，液态玻璃丝因为不受重力的作用，每一小段不会下坠，从而形成连续并且均匀的链条，这样凝固后就可以制造出几百米长的玻璃纤维。还有，现代工业可以在太空的轨道上制作一种新型泡沫金属材料，原理就是在失重条件下，可以向液态的金属中通进气体，因为不受重力，气泡将既不“上浮”，也不“下沉”，从而均匀地分布在液态金属中，这样液态金属凝固后就成为泡沫金属，泡沫金属轻的就像软木赛似的泡沫钢，这种泡沫金属材质轻，但延展性和刚性性能优异，是一种应用空间广阔的新型材料，可以用它作为飞机的机翼材料，这样生产的机翼又轻又结实。
　　（3）在农业、医学和化学上的应用
　　除了在航空以及工业领域的应用，失重超重知识还可以应用到农业、医学和化学领域。在地球上所有生物都要承受来自地球的引力，经过亿万年的进化，目前还能在这个星球上生存的生物已经能够适应这种状态。目前很多生物学家开始试图在失重环境下种植一些植物，观测它们的生长情况，并记录它们的生命参数。这是一项非常有创意和前景的研究方向，通过改变重力环境有可能优化植物的基因，培育出有更高产量的农作物，甚至改变一些蔬菜粮食作物的生长周期，从而为人类提供更多的食物，解決贫困地区的饥荒。还有，离心机是生物和化学实验室中常见的分离装置。离心机开始转动后，由于重力场的作用会使离心管中悬浮的颗粒逐渐下沉，粒子越重则下沉速度越快；反之，那些密度比液体小的颗粒会上浮到液面部分。基于这个原理，使用离心机可以将固体与液体分离，也可以将大的颗粒与小的颗粒分离，因此离心机在医学上可以分离不同物质如细胞中各种细胞器，在化学中可以分离不同尺寸的纳米颗粒。
　　四：结语
　　超重和失重不仅是非常重要的物理概念，而且还有许多重要的应用。从17世纪牛顿提出牛顿第二定律到现在，关于超重和失重一直都在不断探索和在发展。它们的应用在各行各业都随处可见，这些都是无数前人辛勤研究的结果，今后也会有人继续他们的研究，探索出有利于人们的应用。
　　参考文献
　　[1] 陈梦云.失重飞机“实验室”[J].军事文摘，2018（04）：4-9.
　　[2] 宫文婷，牛忠英，汤楚华.模拟失重后再超重对猴咬肌细胞RyR1 mRNA表达的影响[J].牙体牙髓牙周病学杂志，2014，24（08）：437-441.

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