問題驅動法走出“超重與失重”思維誤區

朱晉明

(炎陵縣湘山實驗學校 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超重失重概念做了如下定義：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，叫作失重(weightlessness)現象.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，叫作超重(overweight)現象[1].

但很多參考書給出了這樣一個推論：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)蹦極運動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動時，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，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的加速度運動時，推論即無法成立.

可見，判斷超重失重最嚴謹的方法是根據定義，對豎直方向運動的物體施于支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)進行分析，判斷束縛力與重力的大小關系.若是使用推論，一定要注意前提條件是否滿足.

2 超重與失重的力學本質

2.1 在軌正常運行的衛星一定處于失重狀態嗎

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

2.2 遠離天體的宇宙飛船中物體懸浮是失重狀態嗎

在遠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.

2.3 支持力變化就是超重或失重嗎

筆者提出以下兩個情境以供參考.

(1)科研儀器被雪龍號從北京運輸到北極

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，根據牛頓第三定律，對地面的壓力也變大，但大小依然等于重力，這種情況既不是失重也不是超重.

(2)玉兔號停泊在地表和月球表面

回歸教材，可以發現本節內容設計初衷是：通過讓學生觀察站在體重計上的人在下蹲過程中體重計示數的變化，引發關于超重與失重的思考，在分析超重、失重時引導學生建立示數與重力之間的邏輯關系，從而發現并總結落實到造成超重、失重的力學本質上[2].

結合上述問題，可以總結出超重與失重不是僅僅依靠加速度方向，或是單獨根據其中一個力增加或減少來進行判斷的.這一物理模型的本質是：在豎直方向運動狀態發生改變時，豎直方向不再二力平衡[3]，重力與對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)不再相等，二者的相對大小關系決定了物體的超重與失重.

3 完全失重狀態下的物理現象

3.1 完全失重狀態的水一定會漂浮嗎

完全失重狀態時，擠出的水由于表面張力會成如圖1的球形，無束縛的水不會往低處流而是處于漂浮狀態，但是裝在水杯中的水是不會自動飄浮出水杯的，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的水未飄起且對乒乓球浮力消失

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既不是失重也不是超重.教材對完全失重的定義是：物體對支持物(或懸掛物)完全沒有作用力，這種現象被叫作完全失重狀態[1].所以完全失重并不是指重力消失，但在完全失重的狀態下，平常一切由重力產生的物理現象都會完全消失，如單擺停擺、天平失效、浸在水中的物體不再受浮力、液體柱不再產生向下的壓強等.