生活中的超失重问题探讨

徐健荣

【摘要】我们的生活与物理息息相关.本文聚焦生活中的超失重问题，探究牛顿第二运动定律在实际生活中的应用，总结和分析超失重问题中的解题思路.

【关键词】高中物理；牛顿运动定律；超失重问题

在上升或下降的电梯中，你是否会感受到脚与地板之间的挤压与静止状态下的不同？这就是与超失重问题有关的一种典型生活现象.那生活中还有哪些超失重现象？我们又该如何解决这些现象带来的物理问题？本文聚焦不同生活情境下的超失重問题，给出此类问题的解决思路，感受物理与生活的交融之美［1］.

1 电梯内的超失重

例1 已知小明的质量为m，他要坐电梯从1楼上升至40楼到达自己的公司，此过程中电梯速度v随时间t变化的图象如图1所示，重力加速度为g，下列说法正确的是（  ）

（A）0～t1时间内电梯对小明的支持力大小小于mg.

（B）t1～t2时间内小明处于超重状态.

（C）t2～t3时间内小明处于失重状态.

（D）t2～t3时间内电梯对小明的支持力不断减小.

分析 阅读完题目，首先应该观察图象，明确图象的自变量与因变量，知道不同时间段速度的变化代表着什么运动.第二步观察选项，出现超失重状态的判断，而它们与两个概念有关，一个是物体的重力，这是物体自身的固有性质，不会随着情况发生任何变化；另一个则是视重，强调的是物体对外界压力的效果，会随着外界情况的改变而不断变化.当视重大于实际重力时，物体处于超重状态，根据牛顿运动第二定律：物体的加速度方向与合力方向相同，指向视重方向，方向向上，那么失重情况时，则刚好相反，视重小于实重，加速度方向向下.此时，我们可以发现根据加速度的变化，利用牛顿运动第二定律能快速判断出物体所处的超失重状态［2］.

解析 题中4个选项均是关于不同时间段的物体运动，故分时间段分析运动状态，在0～t1时间内，速度v随时间t匀速变化，速度方向向上，电梯匀加速上升，小明处于超重状态，根据FN－mg=ma可知，电梯对小明的支持力大于mg，故（A）选项错误.

在t1～t2时间内，速度始终不变，无加速度，电梯匀速上升，小明处于平衡状态，视重、实重无变化.故（B）选项错误.

在t1～t3时间内，可以发现电梯处于减速状态，但同时在向上运动，即加速度方向向下，视重小于实际重力，小明处于失重状态，由牛顿第二定律可知，此时mg－FN=ma，观察切线斜率，加速度在此时间段内逐渐减小，但是重力是不会变化的，故电梯对电梯对小明的支持力不断增大，则（C）选项正确，（D）选项错误.

2 运动中的超失重

例2 为了研究超重和失重现象，某同学站在力传感器上连续做“下蹲”和“起立”动作，力传感器连接到计算机上，得到如图2的压力随时间变化的图线，下列说法正确的是（  ）

（A）该同学在t2时刻的加速度比在t4时刻的加速度小.

（B）该同学在t3到t4时间段内在做“起立”动作.

（C）该同学在t1到t5时间段内共下蹲两次，起立两次.

（D）该同学在t1到t5时间段内共下蹲一次，起立一次.

解析 人站在传感器上只受到重力G和支持力N的作用.静止时二者为一对平衡力，大小相等，方向相反，由此可知图中横线部分即为该同学的重力，此时其未做任何动作，受力平衡，故G=500N.t2时刻支持力小于重力，加速度方向向下，合外力大小为F合2=mg－F2.t4时刻支持力大于重力，加速度方向向上，合外力大小为F合4=F4－mg.观察图象可知F合2>F合4，由牛顿第二定律可得a2>a4，故（A）选项错误.

“下蹲”过程时，先加速下降到达一个最大速度后开始减速下降，则先失重再超重，“起立”时就刚好相反，先加速上升到达一个最大速度后再减速上升，对应的是先超重再失重.对应到图象中，我们可以发现在此过程中学生“下蹲”和“起立”的动作都只发生了一次，图象前一部分先失重后超重，就是“下蹲”过程，后一部分先超重后失重，很明显是“起立”过程.该同学在t3到t4时间段内正处于“下蹲”过程中.故（B）（C）选项错误，（D）选项正确.

3 缆车中的超失重

例3 如图3，即将重新开放的公园原缆车索道全长625m，乘坐缆车可以饱览市区的美景.如图4，在缆车水平底板上放一个行李，若缆车随倾斜直缆绳加速上行，则行李（  ）

（A）受到底板的摩擦力方向水平向右.

（B）受到底板的支持力大于行李的重力.

（C）处于失重状态，且受竖直方向上的底板的作用力.

（D）处于超重状态，且受到底板作用力的方向沿缆绳斜向上.

解析 缆车问题也是常见的一种超失重现象.与之前有明确加速度方向的题目不同，缆车问题更多的是要注意加速度方向上的合力并不是全部提供给运动行为的，要进行受力分析.

缆车随倾斜直缆绳加速上行，物体实际运动方向就是物体的加速度方向，可知行李的加速度方向为斜向上偏左，则行李具有水平向左的分加速度，由此可知是行李受到底板的摩擦力提供了这部分加速度，即摩擦力方向水平向左；同时行李还具有竖直向上的分加速度，则行李受到底板的支持力大于行李的重力，即视重大于实重，行李处于超重状态，故（A）（C）选项错误，（B）选项正确.

题目一开始，我们可知行李受到的加速度沿缆绳斜向上，则行李受到的合力方向斜向上偏左，对行李受力分析，受到重力、摩擦力和底板对其的支持力，加速度方向所在的合力可由两部分力提供，一部分为摩擦力，另一部分则是行李受到底板的作用力与重力平衡过后所剩的力，故行李受到底板的作用力方向不是沿缆绳斜向上的，（D）选项错误.

4 结语

生活中的物理现象数不胜数，本文以生活中常见的超重与失重现象为例，用物理思维分析各个情形下的运动状态，又有趣又理性，让学生知道物理问题不是束之高阁的探讨，而是平易近人的思考，为之后的物理问题探索指明方向［3］.

参考文献：

［1］秦丰.超重和失重问题各个击破［J］.新课程（下），2013（02）：33.

［2］朱官恕.超重与失重问题及其拓展［J］.高考（综合版），2013（04）：93.

［3］郭金军.超失重问题的深度思考［J］.中学物理，2015，33（07）：96-97.