朱晉明

(炎陵縣湘山實(shí)驗(yàn)學(xué)校 湖南 株洲 412500)

1 超重與失重的判斷條件

人教版新教材必修一對(duì)超重失重概念做了如下定義：物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?小于物體所受重力的現(xiàn)象，叫作失重(weightlessness)現(xiàn)象.物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?大于物體所受重力的現(xiàn)象，叫作超重(overweight)現(xiàn)象[1].

但很多參考書給出了這樣一個(gè)推論：物體加速度a方向向下即為失重，加速度a方向向上即為超重.

此推論一定成立嗎？筆者提出以下4個(gè)情境以供參考：

(1)乘客乘坐電梯以0.5g大小的加速度減速上升;

(2)蹦極運(yùn)動(dòng)繩子未拉直前游客加速下墜;

(3)過山車帶著乘客以2g的加速度加速下降;

(4)飛行員駕駛噴氣式飛機(jī)以2.5g的加速度垂直下降.

分析過程如表1所示.

表1 超重與失重的判斷

在物體做無助推力運(yùn)動(dòng)時(shí)，比如情境(2)，以加速度方向判斷超重失重是可行的.有助推力時(shí)，若是物體加速度值小于2g，如情境(1)，此推論也成立.但在有助推力的作用下，物體以大于等于2g的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，推論即無法成立.

可見，判斷超重失重最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄊ歉鶕?jù)定義，對(duì)豎直方向運(yùn)動(dòng)的物體施于支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?進(jìn)行分析，判斷束縛力與重力的大小關(guān)系.若是使用推論，一定要注意前提條件是否滿足.

2 超重與失重的力學(xué)本質(zhì)

2.1 在軌正常運(yùn)行的衛(wèi)星一定處于失重狀態(tài)嗎

由于萬有引力全部用于提供向心力，衛(wèi)星無需額外的支持力，處于失重狀態(tài).但衛(wèi)星變軌時(shí)，需要打開推進(jìn)器點(diǎn)火變速，所以有可能處于短時(shí)間超重狀態(tài).

2.2 遠(yuǎn)離天體的宇宙飛船中物體懸浮是失重狀態(tài)嗎

在遠(yuǎn)離任何星球的航天器中，物體不受重力，既不是失重也不是超重狀態(tài).

2.3 支持力變化就是超重或失重嗎

筆者提出以下兩個(gè)情境以供參考.

(1)科研儀器被雪龍?zhí)枏谋本┻\(yùn)輸?shù)奖睒O

由于重力加速度g兩極大于赤道，儀器的重力變大，因而受到的支持力變大，根據(jù)牛頓第三定律，對(duì)地面的壓力也變大，但大小依然等于重力，這種情況既不是失重也不是超重.

(2)玉兔號(hào)停泊在地表和月球表面

回歸教材，可以發(fā)現(xiàn)本節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)初衷是：通過讓學(xué)生觀察站在體重計(jì)上的人在下蹲過程中體重計(jì)示數(shù)的變化，引發(fā)關(guān)于超重與失重的思考，在分析超重、失重時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建立示數(shù)與重力之間的邏輯關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)并總結(jié)落實(shí)到造成超重、失重的力學(xué)本質(zhì)上[2].

結(jié)合上述問題，可以總結(jié)出超重與失重不是僅僅依靠加速度方向，或是單獨(dú)根據(jù)其中一個(gè)力增加或減少來進(jìn)行判斷的.這一物理模型的本質(zhì)是：在豎直方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，豎直方向不再二力平衡[3]，重力與對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?不再相等，二者的相對(duì)大小關(guān)系決定了物體的超重與失重.

3 完全失重狀態(tài)下的物理現(xiàn)象

3.1 完全失重狀態(tài)的水一定會(huì)漂浮嗎

完全失重狀態(tài)時(shí)，擠出的水由于表面張力會(huì)成如圖1的球形，無束縛的水不會(huì)往低處流而是處于漂浮狀態(tài)，但是裝在水杯中的水是不會(huì)自動(dòng)飄浮出水杯的，如圖2所示.

圖1 第二次太空授課中擠出的水成球形

圖2 第二次太空授課中杯內(nèi)的水未飄起且對(duì)乒乓球浮力消失

3.2 完全失重到底還有沒有重力

由上文可知，物體如果不受重力時(shí)既不是失重也不是超重.教材對(duì)完全失重的定義是：物體對(duì)支持物(或懸掛物)完全沒有作用力，這種現(xiàn)象被叫作完全失重狀態(tài)[1].所以完全失重并不是指重力消失，但在完全失重的狀態(tài)下，平常一切由重力產(chǎn)生的物理現(xiàn)象都會(huì)完全消失，如單擺停擺、天平失效、浸在水中的物體不再受浮力、液體柱不再產(chǎn)生向下的壓強(qiáng)等.