【素材】《用牛顿运动定律解决问题(二)》对超重、失重产生条件的批判和重新定位（人教）

对超重、失重产生条件的批判和重新定位孙丰义（山东省淄博市沂源县三岔中心学校 256111） 摘要：传统理论普遍认为，物体具有向上的加速度时，出现超重现象；反之，物体具有向下的加速度时，出现失重现象。笔者分析认为，这个理论是错误的，正确的超重、失重的产生条件应该是：当载体使载物具有向上的加速度时，出现超重现象；反之，当载体使载物具有向下的加速度时，出现失重现象。本文通过图例和分析印证了自己观点的正确性。关键词：超重 失重 产生条件 分析 重新定位 第一部分：对教材的评论1.超重失重的条件和定义引注1超重的条件：由于m(g+a)mg，所以当电梯加速上升时，人对电梯地板的压力比人受到的重力大。概括为：当物体具有向上的加速度时。超重现象：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。失重的条件：电梯加速下降（或减速上升）时，加速度向下，与坐标轴的正方向相反，a是负值，所以，m(g+a)mg，这时人对电梯地板的压力比人受到的重力小。概括为：当物体具有向下的加速度时。失重现象：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。完全失重的条件及状态：如果物体正好以大小等于g的加速度竖直下落，那么，a=- g， m(g+a)=0，这时物体对支持物、悬挂物完全没有作用力，这种状态是完全失重状态。2.评论2.1超重和失重现象的描述性定义是正确的。2.2概括的条件是错误的。即：“当物体具有向上的加速度时超重”、“当物体具有向下的加速度时失重”错误。旧的高一物理课本上是“当物体存在向上的加速度时超重”、“当物体存在向下的加速度时失重”。新旧课本之差别就是两个词“具有”和“存在”，具有和存在是一个意思。2.3从上边新课本给出的条件中有“所以当电梯加速上升时，人对电梯地板的压力比人受到的重力大”和“电梯加速下降（或减速上升）时，加速度向下，与坐标轴的正方向相反，a是负值，所以，m(g+a)mg，这时人对电梯地板的压力比人受到的重力小”的话可知，在这两个条件里，同时出现了“两个物体”电梯和人，那么，说物体具有向上或向下的加速度时，说的物体应该是人，人就是“物体”，旧教材里的“像这样，当物体存在”的话里也可以认定“人就是物体”。2.4旧教材对条件的叙述更加明了，如图。看课本关键词“两个力”、“使”、“物体和弹簧秤一起”、“当升降机带着物体和体重计一起”、“物体对体重计的压力”在这些关键词中，描述的都是两个物体。而超重的描述性定义中的“当物体存在向上的加速度”中的“物体”就专指被施加力的物体即载物了。课本的这些叙述，整体读来，人们不会对定义中的“物体”是载物产生歧义，但是，很悲哀的是课本以外的应用上，即 ：把一切只要具有向上加速度的物体，都判定它超重了！同理，把一切具有向下加速度的物体都判定它失重。课本上的“物体”是在先有了“弹簧秤”、“升降机”和“体重计”对它施加力后的物体；而课本外的物体，是在没有载体的前提下只给出它“具有向上的加速度”这样一个条件的物体，这样的物体，是不能判定它超重的。超重，它必须有一个作用对象，即物体超重在哪里得以体现！关键的问题就在这里人的加速度是电梯给的，人是被动的，他具有的加速度不是自身存在具有的，同样，它超重或失重也是被动的。那么，脱离物理情景独立的说“：“当物体具有向上的加速度时超重。” “当物体具有向下的加速度时失重”就是错误的（课本中出现了多个具体的物体，而总结时用泛指的物体来表示特指的载物，实在是混乱，本文修正为载体与载物以明确区别）。第二部分：超重失重的根本原因追寻超重和失重的根本原因，那就是惯性。1.用阿特伍德机原理印证超重失重的条件设两物体的质量分别是m1和m2且m2m1，则有系统加速度a=(m2 - m1)g/(m1+m2)，绳子的拉力（张力）T=2m1m2g/(m1+m2)，对m1而言，作用在它上边的合力就是它超重的重力（重量），F1合=T- m1g=m1(m2 - m1)g/(m1+m2)；对m2而言，作用在它上边的合力也就是它失重的重力（重量），F2合=m2g - T=m2(m2 - m1)g/(m1+m2)；为了更直观地表示各力之间的关系，令m1=8kg、m2=12kg 组成定滑轮系统，g取10m/s2。系统工作开始，则T=96N，对m1的合力=超重的力，F1合=16N，加速度a1=2 m/s2且方向向上；对m2的合力=失重的力，F2合=24N，加速度a2=2 m/s2且方向向下。由m1得：当物体受到两个反方向的力的合力方向向上时，物体产生了竖直方向向上的加速度，此时，物体出现超重现象，概括为：载体使载物具有向上的加速度时，载物超重。由m2得：当物体受到两个反方向的力的合力方向向下时，物体产生了竖直方向向下的加速度，此时，载物出现失重现象，概括为：载体使载物具有向下的加速度时，载物失重。2.惯性是产生超重或失重现象的根源2.1课本描述，如图。请看红色和蓝色字部分，其中的关键词是“物体和弹簧秤一起自由落下”、“升降机带着物体和体重计一起加速下降”、“它们之间不发生相互作用”、“物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力”。 在课本上，很明确说的是两个物体物体和弹簧秤、升降机与物体、物体对支持物或悬挂物，是在这样的条件下出现的自由落体运动，在这个运动中，是载物对载体的压力或拉力等于了零啊！但是，后来许多老师将它理解成了单独一个做自由落体运动的物体并以“具有向下的加速度”为判据判定它是完全失重状态的运动，岂不害死人也！有谁敢从高空飞机上不带降落伞等减速工具做一个自由落体运动试一试的呢？看航天器工作舱里的航天员们的表现，说明在微重力环境中，那才是真正的（基本）完全失重状态啊! 1枚50克的鸡蛋若从万米高空落下相当于5000千克的物体从0.1米砸向地面（不考虑风阻等），若是砸在人头上效果是相当严重的。2.2以超重为例探究超重现象发生的过程如图，以电梯与载物处在静止或匀速直线运动状态为初始状态。当电梯地板以加速度a加速上升时，质量为m的载物由于惯性，具有保持原来运动状态阻碍运动状态改变的性质，这种性质使其具有了大家常说的“惯性力ma”后注2，ma与地板加速刹那间同时发生，因此，弹簧被压缩这就出现了“超重现象”。超重的计算公式是N=mg+ma=mg+ma ，这个等式与课本上用牛顿第二定律再用牛顿第三定律后的大小相同，但意义却不同，这个等式中的g与a是同向的（同理，失重的公式是N=mg-ma）。超重状态刹那间发生后，电梯与载物一起以加速度a向上加速运动。 当超重现象发生后，如果电梯保持恒加速度加速上升，那么，物体将恒保持超重状态；正常情况下，这样的事情电梯里不会发生，但在火箭升空的加速过程中，航天员将遭受大约10几秒钟的8g到9g的“持续超重”现象的折磨。3.自由落体运动和上抛运动等不是完全失重状态的运动用牛顿第二定律解释自由落体运动不是完全失重状态的运动。取向上为正方向，F向上且小于mg,根据牛顿第二定律，可得F-mg=-ma，这个方程表示的意义是，等号左边是合力且合力方向向下，等号右边是该合力产生的加速度及方向向下。如果仅仅计算三个量的大小，变式后各量之间的大小关系仍然成立，但，已经不能表明其物理意义了。 若想让物体的加速度等于g，那么，唯一的办法是没有F，即没有向上的拉力存在，此时，-mg=-ma，g=a，倒过来，a=g。a=g的释义是a就是g，物体以与当地重力加速度相等的加速度向下加速运动，这就是自由落体运动。大家的共识也是“常规物体只在重力的作用下，初速度为零的运动，叫做自由落体运动。” 回过头再去看上边的力F，力F根本就不存在，只有在没有F的前提下物体才可以做自由落体运动，没有这个力和视重为0的完全失重不存在必然联系，通俗地讲，就是压根儿就没有向上的拉力，还谈什么完全失去？所以说，自由落体运动与完全失重状态的运动完全是两回事！上抛运动等只有重力的运动与此同理，不再赘述。物体处于超重状态时，物体的加速度一定有竖直向上的分量；物体处于失重状态时，物体的加速度一定有竖直向下的分量这两句话是正确的，即先有了超重失重的状态，再看它的加速度方向，前者是因后者是果，因为物体处于超重状态，所以物体的加速度一定有竖直向上的分量；因为物体处于失重状态，所以物体的加速度一定有竖直向下的分量，但须特别注意：因果关系不容倒置。第三部分：重新定位1.超重、失重的定义超重现象：当载体做向上加速或向下减速运动时，载物对载体的压力（或对悬挂载体的拉力）大于物体所受重力的现象。失重现象：当载体做向上减速或向下加速运动时，载物对载体的压力（或对悬挂载体的拉力）小于物体所受重力的现象。2.超重、失重产生的条件当载体使载物具有向上的加速度时超重；当载体使载物具有向下的加速度时失重。3.超重、失重的本质：3.1惯性 3.2瞬时性3.3物体所受的重力没有变化，物体所受的支持力或拉力发生了变化。1.引注：引自人民教育出版社、课程教材研究所和物理课程教材研究开发中心编著，2010年3月第3版，2015年5月山东第6次印刷，普通高中课程标准实验教科书物理必修第89页2.后注：关于惯性力，学术界争论不休且一直没有定论。我倾向于它是真实的力的说法，比如课本电梯测力计与人，对人用牛顿第二定律F-mg=ma，F=mg+ma解后，对人的向上的支持力大小有了，那么，如果没有一个真实的力加在重力上，测力计为何显示力的大小也是mg+ma呢？如果不真实存在，那么，牛顿第三定