浅谈《超重与失重》的定义及判断

◎ 刘加模

超重与失重是中学物理中重要的两个概念，是对牛顿第二定律的进一步应用。人教版高中物理必修1第89页对超重与失重是这样定义的：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，称为超重现象。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，称为失重现象。而在很多参考书中总结归纳为：“当物体具有向上的加速度时，叫超重现象。当物体具有向下的加速度时，叫失重现象。下面来看几个问题。

问题1：如图1，人乘坐过山车通过圆轨道的最高点时，人处于超重状态还是失重状态？

对于这个问题，我们分析时都会认为，由于在最高点，人具有向下的加速度，所以处于失重状态。特别是临界情况，椅子对人的压力为零时，人只受重力，加速度为重力加速度g，此时人处于完全失重状态。

图1

可是如果按照教材的定义，就有三种情况了：

出现上述矛盾，原因在于通过加速度的方向判断超重与失重状态是对大量实例总结归纳得出的，但不一定在一些特定情况下也是成立的。加速度具有相对性，所谓加速度向上和向下也是相对某一参考系而言的。因此，根据加速度的方向来判断超重与失重，不是任何情况下都是可行的，有时还需要结合其他条件判断。

图2

问题2：如图2所示，物块静止在水平面上，甲图中给物块施加一个竖直向下的力F，乙图中给物块施加一个竖直向上的力F。很明显，甲图中物块对支持物的压力大于重力，乙图中物块对支持物的压力小于重力。根据教材对超重与失重的定义，甲图中物块应该处于超重状态，乙图中物块应该处于失重状态。我们都知道，此时甲和乙都是处于平衡状态，并不是超重或失重状态。那为什么又会出现这种矛盾呢？主要我们要理解教材给出超重与失重概念的背景，教材是通过一个例题让学生通过牛顿第二定律分析理解电梯里的超重与失重现象。当电梯加速上升或减速下降时，人对电梯的压力大于重力，此时为超重；当电梯加速下降或减速上升时，人对电梯的压力小于重力，此时为失重。从中可以看出，当处于超重与失重时，加速度并不为零。压力大于或者小于重力都是由于有加速度导致的。所以，在某些情况下，也不能单纯的从力的角度去认识超重和失重，还需结合物体的运动情况来分析。

问题3：如图3，火车以规定的速度转弯，此时火车处于超重状态吗？

图3

如果从加速度的角度来分析，由于加速度在水平方向，竖直方向并没有加速度，所以不是超重现象。但如果从教材给超重的定义来看，此时支持力大于重力，而且加速度也不为零，火车应该处于超重状态。那么哪种观点正确呢？我们还是要从教材给出超重与失重概念的背景出发，教材是通过研究电梯在竖直方向上的运动得出超重与失重的概念，而此时火车是在一个水平面内运动，所以火车并不是处于超重状态。

问题4：如图4，甲图中，位于斜面上的物块在沿斜面向上的力F作用下，由静止沿斜面向上做匀加速直线运动；乙图中，位于斜面上的物块在沿斜面向下的力F作用下，由静止沿斜面向下做匀加速直线运动。此时甲图中，物块具有向上的加速度，是处于超重状态吗？乙图中，物块具有向下的加速度，是处于失重状态吗？很明显两种情况下，物块对斜面的压力都小于物体的重力，从教材对超重与失重的定义角度来看，物块应该处于失重状态，但此时物块对斜面的压力小于重力并不是因为有加速度造成的，物块的加速度变大或者变小，物块对斜面的压力大小并不会改变，超重现象和失重现象的形成是因为物体具有一定的加速度，而且加速度的改变会导致物体对支持物压力的改变。此时仅从力的角度去判断超重与失重现象是不合适的。因此，甲图中物块是处于超重状态，乙图中物块是处于失重状态。

图4

对于超重现象与失重现象的判断是高中物理的一个教学难点，大多数学生对超重和失重现象都只有模糊的认识，要真正理解超重与失重的本质，是有一定困难的。通过上述分析，对超重与失重现象的判断首先要从超重与失重产生的条件出发，压力大于或者小于重力都是由于有加速度导致的，也就是说加速度是产生超重与失重现象的原因。但在实际判断过程中，又不能单纯地从加速度的角度去判断，还应该在惯性系中正确分析物体的受力情况和运动情况，并结合牛顿第二定律作出推导。充分理解教材及平时所说的超重和失重概念，从而作出正确的判断。