高空中的物体质量变化

时间:2023-11-17 20:39:03

在前面一节的讨论中,我们没有考虑这样的问题,就是随着物体与地面的距离增大,物体的重力会越来越小。实际上,我们通常所说的重力指的就是万有引力。根据牛顿定律,两个物体间的吸引力跟它们的距离平方成反比,也就是说,两物体间的距离越大,它们之间的引力越小。在计算重力的时候,我们常把地心作为地球质量的集中点,地球跟物体之间的距离就是地心到物体的距离,也就是物体距离地面的高度再加上地球的半径。6400千米高空,等于地球半径的2倍,地球引力是地球表面引力的。高空中的物体质量变化

如果把这一规律用于竖直向上发射的炮弹,由于在高空时,炮弹受到的重力影响小,因此,它上升的高度比不考虑重力影响时要大。假设炮弹的初速度是8000米/秒,如果考虑重力随高度变化的因素,炮弹可以升到的最高点应该是6400千米,但是,如果不考虑这一因素的影响,直接用公式计算,得出的结果只有这一数值的一半。关于这一点,我们可以通过下面的计算来验证一下。在物理学和力学中,如果一个物体竖直上升的初速度是v,那么,在重力加速度g不变的情况下,它升到的最高点可以利用下面的公式来计算:

高空中的物体质量变化

其中,高空中的物体质量变化

也就是说

高空中的物体质量变化

可见,这一结果大约是地球半径(6400千米)的一半,这里没有考虑重力随高度变化的影响,所以产生了这么大的误差。因为地球与炮弹之间的引力会随着炮弹的升高而不断减小,而炮弹的初速度并没有变化,所以,这时炮弹会升到更高的位置。

需要指出的是,我们并不是说传统的物理公式是不正确的,只要不超过公式的适用范围,它仍然适用。一般来说,只要物体距离地面不是太远,重力减小的作用可以忽略不计。比如,一个物体竖直上升的初速度是300米/秒,这时,它的重力减小得并不明显,所以,完全可以利用上面的公式来进行计算。

根据这一规律,当火箭或者飞船升到高空,在距离地球非常遥远的地方,它的重力会不会变得很小呢?换句话说,在非常高的空中,一个物体的质量会发生怎样的变化呢?1936年,一位叫康斯坦丁·康基纳奇的飞行家对此进行了专门的实验。当时,这位飞行家试验了3次,每次带着不同质量的物体,就是想验证一下,当物体达到一定高度的时候,它的质量会发生什么变化。第一次,他携带物体的质量是0.5吨,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,他带的物体的质量是2吨,飞到了11295米的高空。实验结果如何呢?有的读者可能以为,地球的半径是6400千米,只不过在这个基础上增加了12千米,变化不大,对质量的影响应该也很小。但是,结果出乎大家的意料,虽然这个距离只增加了一点儿,物体的质量却轻了很多。

我们就以第三次实验为例来分析一下,物体在地面时的质量是2吨,飞到了11295米的高空,那么,此时物体与地心的距离就相当于地面上的高空中的物体质量变化

倍,这样,物体在空中和地面所受到的引力之比为:

高空中的物体质量变化

所以,物体在11295米高空时的质量为:

高空中的物体质量变化

利用近似值算法,可以得出答案是1993千克,也就是说,当2吨重的物体升高到11.3千米的高空时,它的质量将减少7千克!同理,如果是1千克重的砝码,那么,它在这个高度时的质量会变成996.5克。

其实,这样的例子还有很多:在俄国,曾经有一艘平流层飞艇飞到了22千米的高空,结果发现,每千克质量减轻了7克。同样是在1936年,一位叫尤马舍夫的飞行员带着5000千克重的物体飞到了8919米的高空,物体的质量减轻了14千克。

根据上面的方法,读者可以分析一下下面两种情况:

(1)1936年11月4日,一位叫阿列克谢耶夫的飞行员带着1吨重的物体飞到了12695米的高空,物体的质量发生了怎样的变化?

(2)1936年11月11日,一位叫纽赫季科夫的飞行员带着10吨重的物体飞到了7032米的高空,物体的质量又会如何变化?