太空实验引出对“引力 重力 失重”问题的探讨

蒋 华

（重庆求精中学 重庆 400015）

周智良

（重庆市教科院 重庆 400030）

1 问题的提出

2012年6月20日上午10点许，我国第二位女航天员王亚平在“神州十号”指令长聂海胜、航天员张晓光的配合下，在“天宫一号”内给全国的中小学生开展了世界上第二次太空授课.CCTV19：00“新闻联播”中，当记者采访香港凤溪小学同学时，一位同学讲到“希望未来能到太空体验无重状态下的感受……”.

当晚，BTV电视台22：00晚间新闻，播音员逐一介绍了王亚平的5个物理实验，并进一步对比了中美两国的太空授课.播音员讲到“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在脱离地球引力的那一瞬间，给她带来的感受…….”

由太空实验新闻报道引出的以上两种说法是否科学？怎么给同学们一个比较准确的回答呢？

让我们从重力说起吧！

2 关于物体的重力

高中新课程人教版必修1（第51页）这样介绍重力：地面附近一切物体都受到地球的吸引，由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力（gravity）.在本页的注释里进一步指出：“受 ……，稍有不同，……”.这段课文并没有说出重力究竟是一个什么样的力，教科书编者期望传递的信息是：重力是由引力而来，但并不是地球的吸引力本身，没有引力也就没有重力；重力的大小和相对应的引力稍有不同.在我国新课程各个版本的教参（教师教学用书）里对重力都有大致相同的介绍：重力是由地球吸引力带来的一个作用，或者说是地球吸引力的一个分力.

根据 牛 顿 万 有 引 力 定 律 （law of universal gravitation），两个质量为分别m和M的物体，他们之间由于质量而产生的引力为

这里R为两物体质心之间的距离.由于万有引力系数G很小（6.67×10－11N·m2／kg2），当两物体质量不是特别大的时候，它们之间的引力显现不出来.但地球质量非常大（5.98×1024kg），因此，万有引力必然会明显表现出来.

如图1所示，由于地球在不停地自转，地面上的物体将跟随地球一起围绕其自转轴做匀速圆周运动，这需要一个不断改变其运动方向且始终指向自转轴的力F1.根据力的分解，这个被人们称之为“向心力”的力只能由地球引力的一个分力来提供，另一个分力就是教材所说的重力mg.

图1 地面上的物体随地球一起绕自转轴运动

物体跟随地球做匀速圆周运动所需要的向心力F1与其运动半径有关，在地球不同的纬度，物体受到的向心力为

这里α为物体所处地球的纬度，R是地球的半径，ω是做圆周运动的角速度，可知如果物体离地面越高，即R更大，则F1会增大.在非赤道区域，重力只能根据矢量合成与分解的平行四边形法则求解，在地球赤道处，物体所需向心力、地球对物体引力以及我们定义的重力mg恰好在一直线上，此时α＝0，cosα＝1，即

得出

芭芭拉·摩根在地球赤道附近的重力大约是多少呢？

假设她的质量为60kg，已知地球半径6.4×106m，质量5.98×1024kg，摩根在地球表面赤道附近受到的地球引力为

摩根跟随地球一起做圆周运动需要的向心力为

摩根在赤道附近的重力为

摩根随地球一起自转所需要的向心力很小，仅为2.03N，占地球引力的0.35%.地球对摩根的引力与摩根的重力几乎相等.因此，在一般的计算中，我们认为物体在地球表面的重力大小就等于它受到的引力.

3 航天飞机 天宫一号在飞行轨道处的引力和重力

在太空运行的卫星是围绕地心运动的.如图2，在任意倾角太空轨道上运行的卫星所受地球引力和卫星围绕地球运动所需的向心力始终指向地心（当卫星近地点和远地点相差不是很大时，作为一般性讨论的估算，可以把卫星的椭圆轨道视为圆轨道处理），卫星在轨道处的重力等于其所受地球引力减去其围绕地球做匀速圆周运动所需要的向心力.

图2 太空运行的卫星围绕地心运动

当美国航天飞机在抵达地球近地点200km、远地点400km椭圆轨道时（以地心来看，该轨道近似为正圆），其速度约为7.76km／s.在距地面200km高度刚进入轨道时，地球对芭芭拉·摩根的吸引力为

与在地面相比较，引力只减少了

大约5.97%.因此，摩根虽进入外太空轨道，引力的变化并不大，当然就更谈不上脱离地球引力了.

那么，芭芭拉·摩根“脱离”的究竟是什么力呢？

将航天飞机轨道按200km正圆轨道计算，摩根在200km轨道高度围绕地球运动需要的向心力为

忽略航天飞机椭圆轨道带来的误差，摩根此时的重力为

芭芭拉·摩根此时的“重力”非常小，因此，我们说航天飞机里的摩根实际上“脱离”的是重力，

而我国“天宫一号”在343km的正圆轨道上飞行，飞行速度为7.69km／s，假设王亚平质量也是60kg，她在“天宫一号”上的受到的地球引力为

王亚平跟随天宫一号围绕地球飞行需要的向心力为

在天宫一号里王亚平的重力为

因此，“天宫一号”里的王亚平所受重力非常微弱，王亚平处于“微重力”状态.

因此香港凤溪小学同学的说法应该改为“希望体验在微重力状态下的感受……”.

而BTV播音员应该这样报道“摩根还给孩子们聊起了航天飞机在几乎失去重力的那一瞬间，给她带来的感受……”.

4 结束语

2013年12月2 日，我国成功发射了“嫦娥三号”探月卫星，这是继美国20世纪70年代“阿波罗计划”结束后人类重返月球的又一次重要探测活动.中国的探月器将实现月球软着陆，“玉兔号”月球车将在月面上巡逻探测He－3的诸多信息，寻找人类未来新的能源.那么，月球车在月球表面将受到多大的吸引力？月球表面的重力加速度到底有多大？月球车运动的速度多大才能适应月球表面的物理环境呢？让我们带着这些好奇深入钻研物理知识并积极运用物理知识吧！

1 普通高中物理课程标准.北京：人民教育出版社，2009

2 普通高中新课程标准试验教科书《物理》.北京：人民教育出版社，2010