淺談《超重與失重》的定義及判斷

◎ 劉加模

超重與失重是中學物理中重要的兩個概念，是對牛頓第二定律的進一步應用。人教版高中物理必修1第89頁對超重與失重是這樣定義的：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。而在很多參考書中總結歸納為：“當物體具有向上的加速度時，叫超重現象。當物體具有向下的加速度時，叫失重現象。下面來看幾個問題。

問題1：如圖1，人乘坐過山車通過圓軌道的最高點時，人處于超重狀態還是失重狀態？

對于這個問題，我們分析時都會認為，由于在最高點，人具有向下的加速度，所以處于失重狀態。特別是臨界情況，椅子對人的壓力為零時，人只受重力，加速度為重力加速度g，此時人處于完全失重狀態。

圖1

可是如果按照教材的定義，就有三種情況了：

出現上述矛盾，原因在于通過加速度的方向判斷超重與失重狀態是對大量實例總結歸納得出的，但不一定在一些特定情況下也是成立的。加速度具有相對性，所謂加速度向上和向下也是相對某一參考系而言的。因此，根據加速度的方向來判斷超重與失重，不是任何情況下都是可行的，有時還需要結合其他條件判斷。

圖2

問題2：如圖2所示，物塊靜止在水平面上，甲圖中給物塊施加一個豎直向下的力F，乙圖中給物塊施加一個豎直向上的力F。很明顯，甲圖中物塊對支持物的壓力大于重力，乙圖中物塊對支持物的壓力小于重力。根據教材對超重與失重的定義，甲圖中物塊應該處于超重狀態，乙圖中物塊應該處于失重狀態。我們都知道，此時甲和乙都是處于平衡狀態，并不是超重或失重狀態。那為什么又會出現這種矛盾呢？主要我們要理解教材給出超重與失重概念的背景，教材是通過一個例題讓學生通過牛頓第二定律分析理解電梯里的超重與失重現象。當電梯加速上升或減速下降時，人對電梯的壓力大于重力，此時為超重；當電梯加速下降或減速上升時，人對電梯的壓力小于重力，此時為失重。從中可以看出，當處于超重與失重時，加速度并不為零。壓力大于或者小于重力都是由于有加速度導致的。所以，在某些情況下，也不能單純的從力的角度去認識超重和失重，還需結合物體的運動情況來分析。

問題3：如圖3，火車以規定的速度轉彎，此時火車處于超重狀態嗎？

圖3

如果從加速度的角度來分析，由于加速度在水平方向，豎直方向并沒有加速度，所以不是超重現象。但如果從教材給超重的定義來看，此時支持力大于重力，而且加速度也不為零，火車應該處于超重狀態。那么哪種觀點正確呢？我們還是要從教材給出超重與失重概念的背景出發，教材是通過研究電梯在豎直方向上的運動得出超重與失重的概念，而此時火車是在一個水平面內運動，所以火車并不是處于超重狀態。

問題4：如圖4，甲圖中，位于斜面上的物塊在沿斜面向上的力F作用下，由靜止沿斜面向上做勻加速直線運動；乙圖中，位于斜面上的物塊在沿斜面向下的力F作用下，由靜止沿斜面向下做勻加速直線運動。此時甲圖中，物塊具有向上的加速度，是處于超重狀態嗎？乙圖中，物塊具有向下的加速度，是處于失重狀態嗎？很明顯兩種情況下，物塊對斜面的壓力都小于物體的重力，從教材對超重與失重的定義角度來看，物塊應該處于失重狀態，但此時物塊對斜面的壓力小于重力并不是因為有加速度造成的，物塊的加速度變大或者變小，物塊對斜面的壓力大小并不會改變，超重現象和失重現象的形成是因為物體具有一定的加速度，而且加速度的改變會導致物體對支持物壓力的改變。此時僅從力的角度去判斷超重與失重現象是不合適的。因此，甲圖中物塊是處于超重狀態，乙圖中物塊是處于失重狀態。

圖4

對于超重現象與失重現象的判斷是高中物理的一個教學難點，大多數學生對超重和失重現象都只有模糊的認識，要真正理解超重與失重的本質，是有一定困難的。通過上述分析，對超重與失重現象的判斷首先要從超重與失重產生的條件出發，壓力大于或者小于重力都是由于有加速度導致的，也就是說加速度是產生超重與失重現象的原因。但在實際判斷過程中，又不能單純地從加速度的角度去判斷，還應該在慣性系中正確分析物體的受力情況和運動情況，并結合牛頓第二定律作出推導。充分理解教材及平時所說的超重和失重概念，從而作出正確的判斷。