高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中超重、失重的判斷技巧

劉思苪

【摘 要】生活中，我們身邊時(shí)刻發(fā)生著失重和超重的現(xiàn)象，而在高中課程的學(xué)習(xí)中，失重和超重也是作為牛頓運(yùn)動(dòng)定律的典型應(yīng)用。那么，怎樣才能夠準(zhǔn)確的判斷出失重或是超重現(xiàn)象呢？本文將會(huì)在以下內(nèi)容中對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討和解答。

【關(guān)鍵詞】失重；超重；牛頓第二定律；判斷方法

一、正確認(rèn)識(shí)失重和超重

當(dāng)一個(gè)物體處于一種非平衡的狀態(tài)，它對(duì)支持物的壓力或它對(duì)懸掛物體的拉力比它受到的重力大的時(shí)候，那么這個(gè)物體此時(shí)就處于超重狀態(tài)。相反，當(dāng)一個(gè)物體它對(duì)支持物的壓力或者說(shuō)它對(duì)其懸掛物體的拉力比它受到重力要小的時(shí)候就說(shuō)這個(gè)物體處于失重狀態(tài)。

我們可以從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面去分析超重和失重現(xiàn)象。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來(lái)看，當(dāng)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為減速向下運(yùn)動(dòng)或加速向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候可以判斷出此物體處于超重狀態(tài)；相對(duì)應(yīng)的，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為降速向上運(yùn)動(dòng)或者加速向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)物體處于失重狀態(tài)。從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，具有向上加速度的物體在超重狀態(tài)，具有一個(gè)向下的加速度的物體在失重狀態(tài)。

二、對(duì)失重和超重的具體分析

超重情況下，即向上加速運(yùn)動(dòng)的電梯中，這個(gè)電梯給電梯中乘客的支撐力根據(jù)動(dòng)力學(xué)可知：F-mg=ma，而電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電梯受力平衡所以電梯對(duì)乘客的支持力F等于物體本身所受到的重力，與加速向上的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)比物體實(shí)際受到的重力比視重少了ma；失重時(shí)，即電梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為向下加速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析可得：ma=mg-F，而電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)其電梯內(nèi)乘客的受力情況為電梯給其的支持力F=mg，對(duì)比兩種情況下電梯內(nèi)乘客的受力情況可得乘客的實(shí)際重力比視重多了ma，其中a為電梯加速度。當(dāng)物體對(duì)其支持物的壓力或者說(shuō)對(duì)其懸掛物的拉力為零時(shí)，這個(gè)物體處于完全失重狀態(tài)。完全失重所造成的有趣的物體現(xiàn)象有體重計(jì)、沙漏、單擺及天平完全失效。

三、對(duì)失重、超重的正確判斷技巧

由于學(xué)習(xí)時(shí)積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不夠多，大多數(shù)的我們會(huì)因?yàn)槔斫獾牟煌笍貢?huì)對(duì)失重和超重現(xiàn)象產(chǎn)生一些看似合理其實(shí)經(jīng)不住推敲和驗(yàn)證的錯(cuò)誤觀念。這樣的觀念會(huì)導(dǎo)致我們?cè)谧鲱}練習(xí)的時(shí)候得出正確或錯(cuò)誤的答案，對(duì)我們產(chǎn)生很大的困擾，因?yàn)檫@些錯(cuò)誤的觀念并不是適應(yīng)所有的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的。同學(xué)們常見(jiàn)的錯(cuò)誤觀念有以下幾種：1.當(dāng)物體處于失重或者超重運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，物體受到的重力會(huì)變化甚至消失，但其實(shí)物體始終受到重力，并且其所受的重力大小上沒(méi)有變化；2.在物體運(yùn)動(dòng)方向上的加速度都會(huì)產(chǎn)生失重或超重現(xiàn)象，其實(shí)并非如此，物體的失重或超重現(xiàn)象只發(fā)生在其所受重力的方向上具有加速或者減速狀態(tài)時(shí)，以地球?yàn)樽鴺?biāo)系，在水平方向上加速或減速運(yùn)動(dòng)的物體不會(huì)產(chǎn)生失重或超重現(xiàn)象；3.視重常等于物體重力。事實(shí)上，視重是指物體對(duì)其懸掛物的拉力或者支持物的壓力大小，僅僅當(dāng)物體處于平衡狀態(tài)即靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)它的視重大小才等于重力大??；4.僅僅依靠判斷物體加速度方向的方法確定物體的失重超重狀態(tài)。這一點(diǎn)是很多同學(xué)都會(huì)犯的錯(cuò)誤，以下就以兩個(gè)例子來(lái)為什么這種判別方法是錯(cuò)誤的。

1.升降機(jī)中有一個(gè)質(zhì)量為m的物體，分析以下情況下物體對(duì)升降機(jī)的壓力。

（1）升降機(jī)向上加速運(yùn)動(dòng)，且加速度為a。

（2）升降機(jī)向上減速運(yùn)動(dòng)，且加速度為a。

解：令升降機(jī)對(duì)物體的支持力為F

（1）F-mg=ma，F(xiàn)=mg+ma即F>mg所以物體處于超重狀態(tài)。

（2）F-mg=-ma，F(xiàn)=-ma+mg即F

這一題的失重超重判斷結(jié)果和加速度方向判斷吻合。

2.一個(gè)質(zhì)量為10kg的物體掛在彈簧秤上，且受到一個(gè)大小為15N的空氣阻力，當(dāng)物體勻減速上升且加速度為1m/s2時(shí)，彈簧秤受到的拉力為多少？

解：令空氣阻力為f，拉力為F，根據(jù)牛頓第二定律

F-f-mg=-ma，F(xiàn)=f+mg-ma=15+100-10=105N。即F>mg，與超重現(xiàn)象相符合。但是，由加速度方向判斷其失重超重狀態(tài)時(shí)，得到的卻是物體處于失重狀態(tài)。所以，當(dāng)物體加速下降或者加速上升，且物體運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力時(shí)仍可用判斷加速度的方向判斷出正確的失重超重狀態(tài)，但是當(dāng)物體減速下降或減速上升時(shí)，判斷加速度方向的方法將會(huì)失效與實(shí)際情況相矛盾。所以，采用判斷加速度的方向來(lái)判斷物體失重超重狀態(tài)是錯(cuò)誤的，平時(shí)我們做題的時(shí)候應(yīng)該用計(jì)算物體對(duì)其支持物的壓力或者懸掛物的拉力來(lái)判斷物體狀態(tài)。

四、總結(jié)判斷技巧

1.可從物體的受力狀態(tài)判斷，當(dāng)物體受到的重力小于其所受到的向上的支持力或者拉力時(shí)，這個(gè)物體超重狀態(tài)，相反的，當(dāng)其受到的重力大于其所受到的向上的支持力或者拉力時(shí)，物體便處于失重狀態(tài)，若物體受到的拉力或者支持力為零時(shí)物體處于完全失重。

2.從物體速度的變化方向判斷，當(dāng)物體向下減速或者向上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體處于超重狀態(tài)；當(dāng)物體向上減速或者向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體處于失重狀態(tài)。平時(shí)運(yùn)動(dòng)失重和超重規(guī)律分析問(wèn)題的時(shí)候，其判斷的范圍除了單個(gè)物體垂直方向運(yùn)動(dòng)還可以對(duì)整個(gè)物體系或在多個(gè)方向都有加速運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行判斷分析。尤其是對(duì)一些有多個(gè)物體共同組成的物體系，它們的加速下降或加速上升的問(wèn)題可以等效為其重心上一個(gè)質(zhì)量相等的質(zhì)點(diǎn)的失重超重狀態(tài)，也就是判斷其系統(tǒng)重力與接觸面壓力大小。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超重或失重狀態(tài)下物體重力不變更不會(huì)消失，變化的只是支持物對(duì)物體的支持力或懸掛物對(duì)物體的拉力。當(dāng)物體在重力方向上有加速度時(shí)物體便有失重或者超重現(xiàn)象。物體的重力和豎直方向上的加速度共同決定物體的失重超重狀態(tài)。不僅僅是失重超重狀態(tài)，想要學(xué)好物理這一門課我們需要從根本原理出發(fā)，充分的理解之后才能在做題的時(shí)候得心應(yīng)手。

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