超重失重核心知識(shí)的深度解析

超重失重核心知識(shí)的深度解析“超重”和“失重”現(xiàn)象是人們的日常生活及現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，如蹦極運(yùn)動(dòng)，電梯的啟動(dòng)和停止過(guò)程，火箭的發(fā)射過(guò)程及繞地球運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星中，都存在超重和失重現(xiàn)象。而對(duì)于超重和失重現(xiàn)象中視重和重力的關(guān)系、超重和失重現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)等，相當(dāng)數(shù)量的學(xué)生還存在模糊認(rèn)識(shí)，因此專題的設(shè)置很有必要。

首先讓我們從超重和失重的定義入手，來(lái)明確到底什么是超重失重？我們要明確超重和失重的定義，當(dāng)物體或物體系統(tǒng)在豎直系統(tǒng)做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體或物體系統(tǒng)對(duì)豎直懸線的拉力或?qū)λ矫娴膲毫筒坏扔谥亓α?。?dāng)彈力（拉力或壓力）大于重力時(shí)，叫做超重；當(dāng)彈力（拉力或壓力）小于重力時(shí)，叫做失重；當(dāng)彈力（拉力或壓力）等于零時(shí)，叫完全失重。單個(gè)物體或整個(gè)系統(tǒng)的超重和失重現(xiàn)象是由單個(gè)物體或整個(gè)系統(tǒng)的豎直方向加速度來(lái)決定，即當(dāng)加速度方向豎直向上為超重，當(dāng)加速度方向豎直向下則為失重，與物體運(yùn)動(dòng)方向沒(méi)有直接關(guān)系。

從定義上，我們知道要判斷超重還是失重，我們有兩種方法，1.判斷拉力或者壓力與重力的大小關(guān)系；2.判斷在豎直方向上的加速度方向。

例1：一個(gè)人站在磅秤上，讀出體重為500N。在他忽然蹲下的過(guò)程中，磅秤上讀出的體重有無(wú)變化？為什么？

解析：結(jié)合上面的加速度方向判斷方式，我們?nèi)菀桌斫忾_(kāi)始下蹲時(shí)，加速度向下，失重，讀數(shù)變小；將要蹲下時(shí)，加速度向上，超重，讀數(shù)變大。

那么，當(dāng)發(fā)生超重失重現(xiàn)象時(shí)，物體受到的彈力（拉力或壓力）與物體所受到的重力有什么區(qū)別呢？我們知道，在物體處于超重、失重狀態(tài)時(shí)，地球作用于物體的重力始終存在，大小也沒(méi)有變化，只不過(guò)要使物體豎直加速上升或豎直加速下降時(shí)，支持物或懸掛物對(duì)物體的作用力必須發(fā)生變化，即對(duì)物體的作用力必須大于或小于物體所受重力，這樣看起來(lái)物體的重量有所增加或減小，我們將彈簧秤或體重計(jì)的讀數(shù)，習(xí)慣上稱為示重（視重）而物體受到引力而產(chǎn)生的重力稱為實(shí)重。

在超重失重狀態(tài)下，由于視重發(fā)生了變化，因此將導(dǎo)致由重力產(chǎn)生的相關(guān)物理現(xiàn)象都要發(fā)生相應(yīng)的變化，平常由重力產(chǎn)生的所有物理現(xiàn)象都會(huì)完全消失，比如單擺將停止擺動(dòng)、浸沒(méi)在液體中的物體不再受到浮力、天平不能測(cè)量物體的質(zhì)量、液體不再產(chǎn)生向下的壓強(qiáng)等。但是需要注意的是，此時(shí)物體所重力依然存在，而且是不變的。請(qǐng)看下面例題：

例2如圖所示，體積為V0、密度為水密度一半的木塊漂浮在靜止的燒杯中的水面上。當(dāng)升降機(jī)以加速度a（a≤g）加速上升或下降時(shí)，木塊浸入水中的體積各是多少?

說(shuō)明：只看到木塊的超重或失重現(xiàn)象，而忽略水同時(shí)存在的超重或失重現(xiàn)象，從而導(dǎo)致解答錯(cuò)誤。

該如何用物理知識(shí)求解超重失重類(lèi)習(xí)題？一般情況下，我們有兩種處理方法：

1.研究對(duì)象為個(gè)體

當(dāng)物體在近地面處，如果物體做向上加速運(yùn)動(dòng)或向下減速運(yùn)動(dòng)，則物體具有向上的加速度，設(shè)為a上，此時(shí)物體處于超重狀態(tài)，物體的視重Ｇ′＝ｍ（g＋ａ上）；如果物體做向下加速運(yùn)動(dòng)或向上減速運(yùn)動(dòng)，則物體具有向下的加速度，設(shè)為a下，此時(shí)物體處于失重狀態(tài)，物體的“視重”Ｇ＝ｍ（g－a下）。

例3.某人在地面最多能舉起60kg的物體，而在一豎直運(yùn)動(dòng)的電梯中，最多能舉起80kg的物體，此時(shí)電梯的加速度大小是多少？若電梯以此加速度豎直加速上升時(shí)，人在升降機(jī)內(nèi)最多能舉起質(zhì)量為多大的物體？（g取10m/s2）

解析：在地面上該人最多能舉起60kg的重物，說(shuō)明他能承受的最大壓力（或最多能提供的支持力）N=m0g＝600N。當(dāng)他在豎直運(yùn)動(dòng)的電梯中能舉起80kg的物體時(shí)，說(shuō)明質(zhì)量為80kg的物體對(duì)人只產(chǎn)生600N的壓力?？梢?jiàn)物體處于失重狀態(tài)，且具有向下的加速度。設(shè)加速度大小為a，則由牛頓第二定律，得：mg-N=ma，代入數(shù)值可得：a=2.5m/s2即電梯以大小為a=2.5m/s2得加速度向下運(yùn)動(dòng)或向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng)。若電梯以該加速度勻加速上升時(shí)，此人能舉起的最大質(zhì)量為m′，則由牛頓第二定律，得：N-m′g=m′a解得：m′=48kg。

2.研究對(duì)象為整體

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，如果系統(tǒng)的一部分處于靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另一部分處于超重或失重狀態(tài)，則系統(tǒng)就處于超重或失重狀態(tài)。設(shè)整體中處于超重或失重部分的質(zhì)量為ｍ，在豎直方向上的加速度或加速度分量的值為ａ，其余部分的質(zhì)量為Ｍ，則整體的“視重”Ｇ′＝Ｍg＋ｍ（g±a），整體處于超重狀態(tài)時(shí)取“＋”號(hào)，整體處于失重狀態(tài)時(shí)取“－”號(hào)．

例4.如圖所示，置于水平地面上的盛水容器中，用固定于容器底部的細(xì)線使一木球懸浮于水中。若將細(xì)線剪斷，則在木球上升但尚未露出水面的過(guò)程中，地面對(duì)容器的支持力如何變化？

解析：細(xì)線未剪斷時(shí)，容器、水、木球均處于平衡狀態(tài)，故地面對(duì)容器的支持力等于三者的重力之和。由于木球所受到的浮力大于重力，細(xì)線被減斷后，它加速上升，處于超重狀態(tài)。在木球加速上升的過(guò)程中，相應(yīng)的由同體積“水球”以等大的加速度下降填補(bǔ)木球上升形成的空隙，處于始終狀態(tài)。因木球的質(zhì)量小于同體積的“水球”質(zhì)量而其余部分的水及容器仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以容器系統(tǒng)呈始終狀態(tài)，地面支持力將減小。

說(shuō)明：本題最易犯的錯(cuò)誤是只看到木球加速上升所呈的超重狀態(tài)，而忽視與木球等體積的“水球”加速下降所呈現(xiàn)的始終狀態(tài)，而得出地面支持力增大的錯(cuò)誤結(jié)論。

例題5.如下圖所示，四個(gè)完全相同的斜面體放在粗糙的水平面上，在斜面的頂端放四個(gè)質(zhì)量相同的物塊，由于物塊與斜面的摩擦力不同，四個(gè)物塊運(yùn)動(dòng)情況各不相同．其中A物塊放上后勻加速下滑，B物塊獲一初速度后勻速下滑，C物塊獲一初速度后勻減速下滑，D物塊放上后靜止在斜面上．若在上述四種情況下斜面體均保持靜止且對(duì)地面的壓力依次為F1、F2、F3、F4，則它們的大小關(guān)系是

A．F1＝F2＝F3＝F4 B．F1＞F2＞F3＞F4

C．F1＜F2＝F4＜F3 D．F1＝F3＜F2＜F4

解析：本題屬于是連接體問(wèn)題，其中斜面保持靜止，故物體的加速度方向就是整體的加速度方向，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，我們可以判斷a的加速度沿斜面向下，失重。b處于平衡狀態(tài)，c的加速度沿斜面向上，超重。d處于靜止?fàn)顟B(tài)。因此答案選C。

最后我們?cè)賮?lái)看一下超重、失重的應(yīng)用。

在生活中，超重、失重現(xiàn)象很常見(jiàn)，比如乘坐汽車(chē)時(shí)，當(dāng)汽車(chē)在一段坡路上加速向下行駛時(shí)，人的內(nèi)臟器官因失重而“上浮”，使人不舒服這便是失重現(xiàn)象。為減輕橋梁所受壓力，橋一般造成凸型，使汽車(chē)過(guò)橋時(shí)有一個(gè)向下的加速度而使橋梁所受壓力減輕，當(dāng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)凹陷的路面時(shí)，由于有豎直向上的加速度而出現(xiàn)超重現(xiàn)象，往往使車(chē)輪胎由于壓力大而爆破。由于重力作用，在地面上，用現(xiàn)代技術(shù)制成的滾珠，并