对中学物理中“超重与失重”问题的一些看法

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  所谓超重与失重是指物体在非平衡状态下运行时,出现了物体自身所受到的重力与物体对支持面的压力(或绳子对物体的拉力)不等,即物体的“视重”发生变化的现象。值的注意的是,物体不论是发生了超重还是发生了失重,其自身所受到的地球引力并没有改变。在中学物理学中所提及的超重与失重问题可归结为以下几个方面:
  一、物体在竖直方向上加速或减速运动时所产生超重和失重现象
  物体在竖直方向运动时,若加速度方向向上,则物体所受的合力方向向上,那么物体所受到的支持面对其支持力(或绳悬挂物的拉力)将大于物体自身所受到的重力,这种情况下物体处于超重状态。若物体运动的加速度方向向下,则物体所受合力的方向向下,支持面对物体的支持力(或绳悬挂物的拉力)将小于物体自身所受到的重力,这种情况下物体处于失重状态。因此在这类问题的教学中,老师可以引导学生根据加速度(或合力)方向直接判定物体处于超重还是失重状态。物体在竖直方向运动时超重有两种情况,即加速上升和减速下降;失重同样也有两种情况,即加速下降和减速上升。
  生活中这类超、失重现象的实例很多。如我们乘坐电梯上、下楼的过程,以及我们站在体重计上下蹲、起立过程均存在超重和失重的现象。
  二、物体在竖直面内作圆周运动中的超重和失重现象
  物体在竖直面内作圆周运动时也能出现超重与失重现象,在中学物理中我们通常只讨论物体通过圆的最高点和圆的最低点,在此我仅以教材中列举的汽车通过拱桥的实例作些说明。汽车通过凸形桥的最高点时,在竖直方向上受到桥面支持力和重力的作用,这两个力的合力提供向心力,向心加速度方向向下,根据牛顿运动定律不难发现,桥面对汽车的支持力小于汽车所受的重力,汽车处于失重状态,用同样的分析方法我们可以知道运动的汽车在凹形桥面的最低点时,桥面对汽车的支持力大于物体所受到的重力,汽车处于超重状态。根据我们所学过的牛顿运动定律知识可以推断,随汽车速度的增大,这种超重与失重现象更为明显。在我们的生活中,汽车通过凸形路面易“飘”起来,而通过凹形路面易爆胎,就是这个道理。
  另外,我们在高中物理资料中常见到一类关于物在竖直面内做圆周运动的“杆”、“绳”类问题的讨论,当物体运动到最高点或最低点时,牵引物体的杆或绳对物体作用所发生的变化,其实质、原理与上述相同,分析的方法也相似。
  三、航天器中的失重现象
  我们常在影像资料中会看到飞船中的宇航员能够飘在船舱中,这又是为什么呢,通过我们所学的知识其实不难发现,宇航员随飞船一起绕地球作圆周运动,宇航员所受到的地球引力完全用来提供其作圆周运动所需要的向心力,使得宇航员处于完全失重状态。
  从上述三种关于超、失重问题的讨论中我们不难发现一个潜在的规律就是,当物体的加速度(或合外力)的方向与地球的引力方向相同时,物体处于失重状态;当物体的加速度(或合外力)的方向与地球的引力方向相反时,则物体处于超重状态。可见其三者不仅使用了相同的原理,就连判别的方法也是相通的。在教学过程中,我们应善于引导学生对知识的归纳、总结,找出知识点间的联系,准确把握知识的脉络,以达到事倍功半的效果。
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