小物和小理的物理对话录(74)———如何理解超重和失重

程 帅 孟卫东(特级教师)

前言:小物和小理是两名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习高中物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度．

1 对话录

小物:小理,最近课业多,运动少,感觉自己一直在长肉，都超重了．

小理:人的体重标准指数计算公式是体重(千克)除以身高(米)的平方,在中国大于23.9就算超重了,你可以算算自己的体重指数．

小物:24.2,唉!真的超重了,太伤心了！

小理:小物,你说的超重指的是自己重力(质量)增加了,可我们物理语言中超重和失重却不是如此．

小物:还有物理语言啊,你快给我讲讲和我说的超重有什么区别．

2 小理的解释

2.1 超重和失重

在新人教版高中物理教材《必修一》中，超重和失重是这样定义的: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;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．常用的两种测量重力的方法：1)测量出地球表面某点的重力加速度,用天平测量质量，再代入重力计算公式即可;2)利用弹簧测力计在竖直方向上悬挂物体处于静止状态的读数,直接反映物体所受的重力．

弹簧测力计等仪器上显示的数值称为物体的视重,反映的是物体给仪器的压力(拉力)．而物体对支持物的压力和物体自身受到的支持力是一对相互作用力,二者大小相等．压力大于(或小于)重力也就是支持力大于(或小于)重力,反映到人身上就是自己的一种感觉变化．比如电梯启动上升时人往往感觉自己比静止时要沉重很多,像是被紧紧地钉在电梯地板上,这就是超重现象;而电梯启动下降时人会觉得脚下变空了，有种要飘起来的感觉,这就是失重现象．电梯的上升和下降过程都可以分为超重和失重两个阶段,也就是说超重和失重现象的产生与物体的运动方向没有关系．超重和失重的实质并不是物体自身重力改变了．生活中所说的人超重了,才是人的质量变大了,也就是重力增加了,这和物理语言中的超重是有本质区别的．

2.2 物体具有向下的加速度就一定处于失重吗?

有的同学认为物体加速度向上时就是超重,加速度向下时就是失重,这种理解准确吗?在竖直方向上，当物体所受的拉力或者支持力小于自身重力时确实会产生向下的加速度．很多同学特别喜欢过山车上下翻滚过程中产生的刺激感,当过山车运行到最高点时,人除了受自身重力mg外,还受到座椅给的向下的支持力F．由牛顿第二定律可得

图1 过山车中的超重和失重现象

由于现代技术的高速发展,战机的提速性能可以达到7g的加速度．战机升空过程中加速度向上,飞行员处于超重状态;如果战机全力向下俯冲,飞行员受到的支持力为8mg,方向向下,显然飞行员依然处于超重状态．

图2

火箭发射时可以达到8g的加速度,航天员要承受数倍于自身重力的压力,普通人在如此大的压力下会出现视力模糊、器官衰竭等问题,对人的生理极限是一个巨大的挑战,因此航天员一般会身穿航天抗荷服,并在火箭发射前在离心机中进行高强度适应性耐重训练．训练所用的离心机在水平方向高速运转,仪器侧壁对航天员产生巨大的、指向圆心的水平压力,即加速度是指向圆心而并非向上．

由这些例子可见，当物体处于超重时加速度不一定向上,加速度向下时物体也不一定处于失重,不能简单地将加速度的方向作为判断物体处于超重或失重的依据,而是要把握超重和失重现象的产生根源．

图3 超重耐力训练离心机

2.3 超重和失重的应用

除了过山车,备受年轻人喜欢的蹦极运动,在弹性绳绷直前人近似做自由落体运动,此时加速度等于重力加速度,人处于完全失重状态．地球上的物体由于受重力的影响,是很难做出真正球形钢珠的,这样的钢珠在使用时就很容易被磨损,研究人员把材料放在完全失重的环境下就能制造出标准的钢珠．当航天器在太空中转动时处于完全失重状态,此时水滴成球形,物体飘浮起来,研究人员可以进行很多植物培育及医学方面的研究．目前科学家也正在研究将空间站做成环形,高速转动的空间站为航天员提供了一个模拟的地球重力场,以适于航天员的工作．

车辆在经过一些凹陷地面时,地面给车辆的支持力大于自身的重力而处于超重状态,如果桥做成下凹的形状,当车速达到一定程度时车胎承受不住太大的压力很容易被挤爆,桥也容易被压塌．将桥做成拱形时却恰恰相反,利用车辆对桥的压力小于自身的重力,而且车速越大对桥面的压力越小,可以起到延长桥的使用年限的作用．

小物:哦!我明白了,原来物理学中所说的超重和失重是人的感受发生了变化,自身的重力没有改变．