问题驱动法走出“超重与失重”思维误区
时间：2023-01-18 11:50:07 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱晋明
(炎陵县湘山实验学校 湖南 株洲 412500)
人教版新教材必修一对超重失重概念做了如下定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象，叫作失重(weightlessness)现象.物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象，叫作超重(overweight)现象[1].
但很多参考书给出了这样一个推论：物体加速度a方向向下即为失重，加速度a方向向上即为超重.
此推论一定成立吗？笔者提出以下4个情境以供参考：
(1)乘客乘坐电梯以0.5g大小的加速度减速上升;
(2)蹦极运动绳子未拉直前游客加速下坠;
(3)过山车带着乘客以2g的加速度加速下降;
(4)飞行员驾驶喷气式飞机以2.5g的加速度垂直下降.
分析过程如表1所示.
表1 超重与失重的判断
在物体做无助推力运动时，比如情境(2)，以加速度方向判断超重失重是可行的.有助推力时，若是物体加速度值小于2g，如情境(1)，此推论也成立.但在有助推力的作用下，物体以大于等于2g的加速度运动时，推论即无法成立.
可见，判断超重失重最严谨的方法是根据定义，对竖直方向运动的物体施于支持物的压力(或对悬挂物的拉力)进行分析，判断束缚力与重力的大小关系.若是使用推论，一定要注意前提条件是否满足.
2.1 在轨正常运行的卫星一定处于失重状态吗
由于万有引力全部用于提供向心力，卫星无需额外的支持力，处于失重状态.但卫星变轨时，需要打开推进器点火变速，所以有可能处于短时间超重状态.
2.2 远离天体的宇宙飞船中物体悬浮是失重状态吗
在远离任何星球的航天器中，物体不受重力，既不是失重也不是超重状态.
2.3 支持力变化就是超重或失重吗
笔者提出以下两个情境以供参考.
(1)科研仪器被雪龙号从北京运输到北极
由于重力加速度g两极大于赤道，仪器的重力变大，因而受到的支持力变大，根据牛顿第三定律，对地面的压力也变大，但大小依然等于重力，这种情况既不是失重也不是超重.
(2)玉兔号停泊在地表和月球表面
回归教材，可以发现本节内容设计初衷是：通过让学生观察站在体重计上的人在下蹲过程中体重计示数的变化，引发关于超重与失重的思考，在分析超重、失重时引导学生建立示数与重力之间的逻辑关系，从而发现并总结落实到造成超重、失重的力学本质上[2].
结合上述问题，可以总结出超重与失重不是仅仅依靠加速度方向，或是单独根据其中一个力增加或减少来进行判断的.这一物理模型的本质是：在竖直方向运动状态发生改变时，竖直方向不再二力平衡[3]，重力与对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)不再相等，二者的相对大小关系决定了物体的超重与失重.
3.1 完全失重状态的水一定会漂浮吗
完全失重状态时，挤出的水由于表面张力会成如图1的球形，无束缚的水不会往低处流而是处于漂浮状态，但是装在水杯中的水是不会自动飘浮出水杯的，如图2所示.
图1 第二次太空授课中挤出的水成球形
图2 第二次太空授课中杯内的水未飘起且对乒乓球浮力消失
3.2 完全失重到底还有没有重力
由上文可知，物体如果不受重力时既不是失重也不是超重.教材对完全失重的定义是：物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力，这种现象被叫作完全失重状态[1].所以完全失重并不是指重力消失，但在完全失重的状态下，平常一切由重力产生的物理现象都会完全消失，如单摆停摆、天平失效、浸在水中的物体不再受浮力、液体柱不再产生向下的压强等.
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