新舊教材“超失重”定義的探討與建議

葛淵波　吳穎

摘要 超重和失重的本意是“視重大于或小于實重”。但在許多高中物理教師心中普遍認同的卻是舊人教版教材的定義：物體加 速度向上時超重、向下時失重。后者雖然簡單，有利于降低教學、考試難度，但科學性欠嚴謹，束縛了高中師生的創新思 維，不利于優質高中培養拔尖創新人才。文章借鑒伽利略的“大船艙”等科學思維方法，拓展超重和失重的研究范圍和思 路，揭示了舊定義的偏頗。進而對教參教輔的修編，以及考試命題等，提出了靈活處理、支持創新的建議和提示。

關鍵詞 教材;超重;失重;定義;創新思維

超失重是細致觀察生活容易看到的一類有趣現 象，也是高中物理動力學知識的一個有趣推論，當下 又成了高中物理考試的一個熱點。但是許多高中教 師并沒有認真研究人教版、魯教版新教材對超重和失 重的新定義，而是習慣性地沿用舊教材的定義，并依 此命題和設置標準答案。而這樣的考題或標準答案 可能不科學嚴謹，反而搓傷了優秀好學生的創新思維。

一、多種教材關于“超失重”及其定義的概述 筆者查閱了20余種大學普通物理力學教材，發現 超失重問題基本“不受待見”，多數在例題或習題中輕 描淡寫，有的根本只字不提。這說明超重和失重本就 不是物理的基本概念或主要規律，可以不用當成一個 “知識點”。

中學物理教材中最早涉及超失重問題的是成書 于20世紀70年代末的《全日制十年制學校高中課本 （試用本）物理上冊》，但并未單列一節，而且也不在牛 頓定律這一章，而是出現在其第五章“圓周運動·萬有 引力”第九節“人造地球衛星”的第二大點“人造地球 衛星中的超重和失重”，其引言說：“自從人造地球衛 星和宇宙飛船發射成功以來，人們常常談到超重和失 重……”⑴。可見，這超失重來源于人們感覺有趣的 話題，是一個牛頓定律應用的有趣例子。

20世紀80年代后半葉在《高級中學課本（試用） 物理（乙種本）上冊》基礎上改編而成的《高級中學課本 物理上冊》書中沒有找到任何關于超重失重的內容，可 見這在當時并不是對所有學生提出的基本教學要求。

不過，在20世紀80年代上半葉，適用于重點高中 的《高級中學課本（試用）物理（甲種本）第一冊》已在 其第三章“運動定律”中單列了第十節“超重和失重” 。 從此這一內容似乎成了一個正式的“知識點” ，也從此 逐步成了越來越熱門的考點，以至后來寫入了教育部 制訂的《普通高中物理課程標準（實驗）》^[2]的必修模 塊“物理1”中，正式成為所有學生都必須掌握的基本 要求。

具體到超重和失重的定義，由于上述“甲種本”教 材影響深遠，它對超重和失重的定義影響了一代又一 代的物理教師，哪怕新課程教材開始有了不同的定 義，甲種本的定義仍然被眾多老師、眾多教輔書籍引 用，至今仍是影響力最大的一種定義：“當物體存在向 上的加速度時，它對支持物的壓力（或對懸掛物的拉 力）大于物體重量的現象，叫做超重現象。”“當物體存 在向下的加速度時，它對支持物的壓力（或對懸掛物 的拉力）小于物體重量的現象，叫做失重現象”^[3]。本 文將它簡稱為“定義一”，其中“它對支持物的壓力（或 對懸掛物的拉力）”就是俗稱的“視重” ，“物體的重量” 就是“實重”（它的確切定義本文第五大點還要推敲）。 就現象而言，超重和失重就是“視重”大于還是小于 “實重”。但定義一還將產生超失重現象的一種原因 寫入了定義。

2005年出版的人教版《普通高中課程標準實驗教 科書 物理1 必修》第四章“牛頓運動定律”第7節“用 牛頓定律解決問題（二）”的第二大點“超重和失重”給 出的定義：“物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉 力）大于物體所受重力的現象，稱為超重現象。”“物體 對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受 重力的現象，稱為失重現象”^[4]。本文將它簡稱為“定 義二”。現象描述其實完全一樣，但定義二未限定發 生現象的原因。

同時期由課標組組長廖伯琴教授主編的魯科版 普通高中課程標準實驗教科書 物理1 必修》給出的 定義^[5]和定義二基本一致，不再引述。

二、 新舊教材兩種定義的區別

但為什么上述兩種新教材會不約而同地改用上 述定義二？它跟定義一完全等價嗎？

定義二并沒有明確規定超重失重的產生原因、情 境，是開放式的定義，只論結果不管原因。而定義一 不僅明確了最終的現象，而且限定了產生結果的原 因，屬于封閉式的定義。一旦在超出定義一限定的情 境下產生了同樣現象，按定義一只好不算超重或失 重，而按定義二則仍是超重或失重，結論相反！可見， 二者不僅不等價，而且可能不融洽。

明明有“拉力大于重力”的現象，但如果按定義 一，這時小球的加速度向下，不是超重，反而應當算失 重。不僅不符合定義二，連學生心里都難以接受。有 些教師只好說“它離開了特定情境”^[6]。所謂“特定情 境”是要求“研究對象沿豎直方向做直線運動”，可是 從前文概述的歷史背景可以看出，超失重是由人造地 球衛星而引發的話題，它生來就沒有限定過這樣的 “特定情境”！

況且，就算在豎直方向做直線運動，只要研究對 象向下的加速度大于2g，支持物對它的支持力（向下） 也會大于它的重力，矛盾仍然存在。所以“特定情境” 說顯然牽強，定義一在這樣的情境下并不合理。

如果按照定義二，則結論簡單明了：這就是超重 現象！現象和結論相符，學生也易于接受。

雖然兩種定義都出自正規教科書、都有較大的認 同度，但對上述案例是否超重或失重，兩種定義判斷 的結論相反，說明二者并不等價。由于定義一中限定 的“原因”不完備，因而科學性不嚴謹。這樣得到的結 論如果違背定義二，就應當以定義二為準。

三、 定義二支持的創新思維

案例1：如圖2所示，水平軌道 上有一輛小車沿水平方向做加速 運動，車廂天花板下掛一彈簧秤， 秤下掛一物塊，這時彈簧秤示數顯然會大于物塊的重力。

按照定義一，沒有豎直方向的加速度，這種現象 并不是超重現象。

按照定義二，它就是超重的現象！ 不少教師并不認可這樣用定義二，認為這時彈簧 秤的讀數并不等于重物的“視重”，認為彈力的豎直分 力才等于視重，所以視重并沒有大于實重。這一說法 也符合大家的直覺，似乎有道理。但仔細想想，說它 是超重也不是沒有道理的。

首先，定義二的原文并未要求“對支持物的壓力 （或對懸掛物的拉力）”要豎直，或是用它的豎直分力 來做比較;其次，真實情境中，是否都能分辨出豎直方 向并將拉力分解出豎直分力？

借鑒伽利略“大船艙”的科學思維方法來思考例 2：將普通有窗的火車廂，改成四周不透明的“吊艙” （如圖3所示），這樣吊艙中的實驗者失去了用以判斷 “豎直”的外部參照物，只能通過艙內的物理實驗裝置 （如保持靜止的重錘）來做“豎直”與否的參照。將吊 艙用懸鏈吊在天車下，天車在水平軌 道上運行。適當操作天車使吊艙以 一定的加速度沿水平方向穩定加速。 這時，吊艙內的實驗者仍舊認為彈簧 秤是“豎直”的，因而其示數就等于視 重，并且比原先（無水平加速度時）測 到的重力大，這樣自然確認例2“是超重現象”！

類似愛因斯坦的相對性原理，封閉在吊艙中的研 究者所做的任何力學實驗，都無法鑒別出它的加速度 不是豎直的。能領會伽利略、愛因斯坦的科學思維方 法，靈活運用于不同的問題情境、得出與眾不同的合 理結論，這難道不是教育所追求的“授之以漁”！創新 教育就是希望能多培養這樣的人才。

定義二作為一種開放式的定義，就支持這樣的靈 活性，能夠讓學生有機會表現出他們的創造性思維。 支持學生勇于創新，是教師的天職。

四、兩種定義探討的啟示與建議

• 對課題與命題的啟示 如果我們按照定義一，或者按照有些老師給定義 二的補充修訂（彈力的豎直分力才叫視重）來給案例 二這樣的考題設置標準答案——該物體沒有超重，則 前面所說的那樣具備優秀核心素養的好學生，就反而 得不到這一題的分數，這樣的考題、標準答案就扼殺 了這些能創新的好學生！可見，這樣的簡單封閉式的 題目不可取。真要考，就不能忽視定義二的開放性，

要避免簡單粗暴限定一刀切的標準答案，使考題出現 可能的“負區分度”，從而喪失考試的效度和信度！

反之如果按照定義二在考題中突出靈活性，則可 能有不少基礎欠佳能力不足的學生難以承受。

正如前文的背景概述，大學教材不把超重失重當 成重要知識點，中學物理面對這樣的考點，更應慎重， 不考也罷。完全可以從考試大綱^[7]中刪除。刪了并 不是不能考，它還含在“牛頓定律的應用”這個知識點 范圍內，只是不突出了而已。筆者還建議將超重和失 重從課程標準中刪除，還它“應用實例”的應有地位。

2.?對教學的建議

雖然筆者建議在考試中避免沖突，將超重和失重 從“知識點”降格為“應用實例”，但不等于這個問題就 不能在教學中討論，只要不當做區分高下的“考題”， 而是促進學習、思考的“習題”，做做想想當然有好處， 做到什么地步，可以因人而異，不同生源可以學到不 同層次。

3.?對教材編寫的建議

教材編撰時如果一定要寫超重和失重，為了兼顧 降低學習難度和促進創新思維的教育，筆者建議區分 出狹義與廣義兩個層次的超重和失重定義。比如先 給出“狹義超重”和“狹義失重”（就是按定義一的說 法），這樣適合多數學生作為基本教學要求，降低教材 難度;但同時明確這只是“狹義”，不是可以輕易推廣 的結論。然后教材可以在之后的“思考與討論”等類 似拓展板塊中介紹按定義二規定的“廣義超重”和“廣 義失重”，并舉例說明它們與狹義定義的差異，啟發學 生的創新思維。

五、余論

再聯系一個更基本的相關問題：重力的定義。按 失重的定義一：物體隨地球自轉具有向下的微小加速 度，應當處于輕微失重狀態。可是按照現行各版本中 學物理教材普遍采用的“重力”定義：重力不是地球對 物體的萬有引力，而只是“由于地球的吸引而產生的” 力，其大小等于它相對地面靜止時對水平支持物的壓 力（或對豎直懸掛物的拉力）。因此，該物體對地面的 壓力就等于物體的重力，沒有失重！

進一步分析在軌運行的飛船中的完全失重現象。 我們想讓學生領會的是“‘重力'還在‘，視重'沒了（等 零）”。可如果參照地面物體重力的定義：地面上物體 的重力要等于萬有引力扣除物體隨地球自轉向心力 后剩余的分力。合理推廣到繞地球勻速圓周運動的 飛船中物體的重力，就應該扣除它隨飛船圓周運動的 向心力，于是物體的重力就真沒了。不是我們想要的 “視重”沒了，而是“重力”真沒了，這就違背了超失重 現象教學的本意。

這看似由于失重的定義一而出現的矛盾。其實 即使按定義二，也照樣必須先確定比較“視重”大小的 基準——實重（物體的重力）。而只要仍采用中學物 理普遍采納的重力定義，則沖突依舊。甚至，重力定 義中限定的“水平”支撐物、“豎直”懸掛物，在例2的 封閉吊艙中也起不了作用。可見問題的起因已經不 是超重和失重的定義了，而在于我們把重力的定義復 雜化了！如果像一些大學教材^[8-14]那樣，把重力簡單 地定義為“地球對附近物體的萬有引力”，上述定義間 就融洽了。

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（葛淵波，福建省中小學學科帶頭人，福州市葛淵 波名師工作室領銜人）

（責任編輯：周志平）