朱晉明
(炎陵縣湘山實驗學校 湖南 株洲 412500)
人教版新教材必修一對超重失重概念做了如下定義:物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受重力的現象,叫作失重(weightlessness)現象.物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)大于物體所受重力的現象,叫作超重(overweight)現象[1].
但很多參考書給出了這樣一個推論:物體加速度a方向向下即為失重,加速度a方向向上即為超重.
此推論一定成立嗎?筆者提出以下4個情境以供參考:
(1)乘客乘坐電梯以0.5g大小的加速度減速上升;
(2)蹦極運動繩子未拉直前游客加速下墜;
(3)過山車帶著乘客以2g的加速度加速下降;
(4)飛行員駕駛噴氣式飛機以2.5g的加速度垂直下降.
分析過程如表1所示.
表1 超重與失重的判斷
在物體做無助推力運動時,比如情境(2),以加速度方向判斷超重失重是可行的.有助推力時,若是物體加速度值小于2g,如情境(1),此推論也成立.但在有助推力的作用下,物體以大于等于2g的加速度運動時,推論即無法成立.
可見,判斷超重失重最嚴謹的方法是根據定義,對豎直方向運動的物體施于支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)進行分析,判斷束縛力與重力的大小關系.若是使用推論,一定要注意前提條件是否滿足.
由于萬有引力全部用于提供向心力,衛星無需額外的支持力,處于失重狀態.但衛星變軌時,需要打開推進器點火變速,所以有可能處于短時間超重狀態.
在遠離任何星球的航天器中,物體不受重力,既不是失重也不是超重狀態.
筆者提出以下兩個情境以供參考.
(1)科研儀器被雪龍號從北京運輸到北極
由于重力加速度g兩極大于赤道,儀器的重力變大,因而受到的支持力變大,根據牛頓第三定律,對地面的壓力也變大,但大小依然等于重力,這種情況既不是失重也不是超重.
(2)玉兔號停泊在地表和月球表面
回歸教材,可以發現本節內容設計初衷是:通過讓學生觀察站在體重計上的人在下蹲過程中體重計示數的變化,引發關于超重與失重的思考,在分析超重、失重時引導學生建立示數與重力之間的邏輯關系,從而發現并總結落實到造成超重、失重的力學本質上[2].
結合上述問題,可以總結出超重與失重不是僅僅依靠加速度方向,或是單獨根據其中一個力增加或減少來進行判斷的.這一物理模型的本質是:在豎直方向運動狀態發生改變時,豎直方向不再二力平衡[3],重力與對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)不再相等,二者的相對大小關系決定了物體的超重與失重.
完全失重狀態時,擠出的水由于表面張力會成如圖1的球形,無束縛的水不會往低處流而是處于漂浮狀態,但是裝在水杯中的水是不會自動飄浮出水杯的,如圖2所示.
圖1 第二次太空授課中擠出的水成球形
圖2 第二次太空授課中杯內的水未飄起且對乒乓球浮力消失
由上文可知,物體如果不受重力時既不是失重也不是超重.教材對完全失重的定義是:物體對支持物(或懸掛物)完全沒有作用力,這種現象被叫作完全失重狀態[1].所以完全失重并不是指重力消失,但在完全失重的狀態下,平常一切由重力產生的物理現象都會完全消失,如單擺停擺、天平失效、浸在水中的物體不再受浮力、液體柱不再產生向下的壓強等.