新舊教材“超失重”定義的探討與建議

葛淵波　吳穎

摘要 超重和失重的本意是“視重大于或小于實(shí)重”。但在許多高中物理教師心中普遍認(rèn)同的卻是舊人教版教材的定義：物體加 速度向上時(shí)超重、向下時(shí)失重。后者雖然簡(jiǎn)單，有利于降低教學(xué)、考試難度，但科學(xué)性欠嚴(yán)謹(jǐn)，束縛了高中師生的創(chuàng)新思 維，不利于優(yōu)質(zhì)高中培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。文章借鑒伽利略的“大船艙”等科學(xué)思維方法，拓展超重和失重的研究范圍和思 路，揭示了舊定義的偏頗。進(jìn)而對(duì)教參教輔的修編，以及考試命題等，提出了靈活處理、支持創(chuàng)新的建議和提示。

關(guān)鍵詞 教材;超重;失重;定義;創(chuàng)新思維

超失重是細(xì)致觀察生活容易看到的一類有趣現(xiàn) 象，也是高中物理動(dòng)力學(xué)知識(shí)的一個(gè)有趣推論，當(dāng)下 又成了高中物理考試的一個(gè)熱點(diǎn)。但是許多高中教 師并沒(méi)有認(rèn)真研究人教版、魯教版新教材對(duì)超重和失 重的新定義，而是習(xí)慣性地沿用舊教材的定義，并依 此命題和設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案。而這樣的考題或標(biāo)準(zhǔn)答案 可能不科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，反而搓傷了優(yōu)秀好學(xué)生的創(chuàng)新思維。

一、多種教材關(guān)于“超失重”及其定義的概述 筆者查閱了20余種大學(xué)普通物理力學(xué)教材，發(fā)現(xiàn) 超失重問(wèn)題基本“不受待見(jiàn)”，多數(shù)在例題或習(xí)題中輕 描淡寫(xiě)，有的根本只字不提。這說(shuō)明超重和失重本就 不是物理的基本概念或主要規(guī)律，可以不用當(dāng)成一個(gè) “知識(shí)點(diǎn)”。

中學(xué)物理教材中最早涉及超失重問(wèn)題的是成書(shū) 于20世紀(jì)70年代末的《全日制十年制學(xué)校高中課本 （試用本）物理上冊(cè)》，但并未單列一節(jié)，而且也不在牛 頓定律這一章，而是出現(xiàn)在其第五章“圓周運(yùn)動(dòng)·萬(wàn)有 引力”第九節(jié)“人造地球衛(wèi)星”的第二大點(diǎn)“人造地球 衛(wèi)星中的超重和失重”，其引言說(shuō)：“自從人造地球衛(wèi) 星和宇宙飛船發(fā)射成功以來(lái)，人們常常談到超重和失 重……”⑴。可見(jiàn)，這超失重來(lái)源于人們感覺(jué)有趣的 話題，是一個(gè)牛頓定律應(yīng)用的有趣例子。

20世紀(jì)80年代后半葉在《高級(jí)中學(xué)課本（試用） 物理（乙種本）上冊(cè)》基礎(chǔ)上改編而成的《高級(jí)中學(xué)課本 物理上冊(cè)》書(shū)中沒(méi)有找到任何關(guān)于超重失重的內(nèi)容，可 見(jiàn)這在當(dāng)時(shí)并不是對(duì)所有學(xué)生提出的基本教學(xué)要求。

不過(guò)，在20世紀(jì)80年代上半葉，適用于重點(diǎn)高中 的《高級(jí)中學(xué)課本（試用）物理（甲種本）第一冊(cè)》已在 其第三章“運(yùn)動(dòng)定律”中單列了第十節(jié)“超重和失重” 。 從此這一內(nèi)容似乎成了一個(gè)正式的“知識(shí)點(diǎn)” ，也從此 逐步成了越來(lái)越熱門(mén)的考點(diǎn)，以至后來(lái)寫(xiě)入了教育部 制訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》^[2]的必修模 塊“物理1”中，正式成為所有學(xué)生都必須掌握的基本 要求。

具體到超重和失重的定義，由于上述“甲種本”教 材影響深遠(yuǎn)，它對(duì)超重和失重的定義影響了一代又一 代的物理教師，哪怕新課程教材開(kāi)始有了不同的定 義，甲種本的定義仍然被眾多老師、眾多教輔書(shū)籍引 用，至今仍是影響力最大的一種定義：“當(dāng)物體存在向 上的加速度時(shí)，它對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦?力）大于物體重量的現(xiàn)象，叫做超重現(xiàn)象?！薄爱?dāng)物體存 在向下的加速度時(shí)，它對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳?的拉力）小于物體重量的現(xiàn)象，叫做失重現(xiàn)象”^[3]。本 文將它簡(jiǎn)稱為“定義一”，其中“它對(duì)支持物的壓力（或 對(duì)懸掛物的拉力）”就是俗稱的“視重” ，“物體的重量” 就是“實(shí)重”（它的確切定義本文第五大點(diǎn)還要推敲）。 就現(xiàn)象而言，超重和失重就是“視重”大于還是小于 “實(shí)重”。但定義一還將產(chǎn)生超失重現(xiàn)象的一種原因 寫(xiě)入了定義。

2005年出版的人教版《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教 科書(shū) 物理1 必修》第四章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”第7節(jié)“用 牛頓定律解決問(wèn)題（二）”的第二大點(diǎn)“超重和失重”給 出的定義：“物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦?力）大于物體所受重力的現(xiàn)象，稱為超重現(xiàn)象?！薄拔矬w 對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受 重力的現(xiàn)象，稱為失重現(xiàn)象”^[4]。本文將它簡(jiǎn)稱為“定 義二”?，F(xiàn)象描述其實(shí)完全一樣，但定義二未限定發(fā) 生現(xiàn)象的原因。

同時(shí)期由課標(biāo)組組長(zhǎng)廖伯琴教授主編的魯科版 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理1 必修》給出的 定義^[5]和定義二基本一致，不再引述。

二、 新舊教材兩種定義的區(qū)別

但為什么上述兩種新教材會(huì)不約而同地改用上 述定義二？它跟定義一完全等價(jià)嗎？

定義二并沒(méi)有明確規(guī)定超重失重的產(chǎn)生原因、情 境，是開(kāi)放式的定義，只論結(jié)果不管原因。而定義一 不僅明確了最終的現(xiàn)象，而且限定了產(chǎn)生結(jié)果的原 因，屬于封閉式的定義。一旦在超出定義一限定的情 境下產(chǎn)生了同樣現(xiàn)象，按定義一只好不算超重或失 重，而按定義二則仍是超重或失重，結(jié)論相反！可見(jiàn)， 二者不僅不等價(jià)，而且可能不融洽。

明明有“拉力大于重力”的現(xiàn)象，但如果按定義 一，這時(shí)小球的加速度向下，不是超重，反而應(yīng)當(dāng)算失 重。不僅不符合定義二，連學(xué)生心里都難以接受。有 些教師只好說(shuō)“它離開(kāi)了特定情境”^[6]。所謂“特定情 境”是要求“研究對(duì)象沿豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)”，可是 從前文概述的歷史背景可以看出，超失重是由人造地 球衛(wèi)星而引發(fā)的話題，它生來(lái)就沒(méi)有限定過(guò)這樣的 “特定情境”！

況且，就算在豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)，只要研究對(duì) 象向下的加速度大于2g，支持物對(duì)它的支持力（向下） 也會(huì)大于它的重力，矛盾仍然存在。所以“特定情境” 說(shuō)顯然牽強(qiáng)，定義一在這樣的情境下并不合理。

如果按照定義二，則結(jié)論簡(jiǎn)單明了：這就是超重 現(xiàn)象！現(xiàn)象和結(jié)論相符，學(xué)生也易于接受。

雖然兩種定義都出自正規(guī)教科書(shū)、都有較大的認(rèn) 同度，但對(duì)上述案例是否超重或失重，兩種定義判斷 的結(jié)論相反，說(shuō)明二者并不等價(jià)。由于定義一中限定 的“原因”不完備，因而科學(xué)性不嚴(yán)謹(jǐn)。這樣得到的結(jié) 論如果違背定義二，就應(yīng)當(dāng)以定義二為準(zhǔn)。

三、 定義二支持的創(chuàng)新思維

案例1：如圖2所示，水平軌道 上有一輛小車沿水平方向做加速 運(yùn)動(dòng)，車廂天花板下掛一彈簧秤， 秤下掛一物塊，這時(shí)彈簧秤示數(shù)顯然會(huì)大于物塊的重力。

按照定義一，沒(méi)有豎直方向的加速度，這種現(xiàn)象 并不是超重現(xiàn)象。

按照定義二，它就是超重的現(xiàn)象！ 不少教師并不認(rèn)可這樣用定義二，認(rèn)為這時(shí)彈簧 秤的讀數(shù)并不等于重物的“視重”，認(rèn)為彈力的豎直分 力才等于視重，所以視重并沒(méi)有大于實(shí)重。這一說(shuō)法 也符合大家的直覺(jué)，似乎有道理。但仔細(xì)想想，說(shuō)它 是超重也不是沒(méi)有道理的。

首先，定義二的原文并未要求“對(duì)支持物的壓力 （或?qū)覓煳锏睦Γ币Q直，或是用它的豎直分力 來(lái)做比較;其次，真實(shí)情境中，是否都能分辨出豎直方 向并將拉力分解出豎直分力？

借鑒伽利略“大船艙”的科學(xué)思維方法來(lái)思考例 2：將普通有窗的火車廂，改成四周不透明的“吊艙” （如圖3所示），這樣吊艙中的實(shí)驗(yàn)者失去了用以判斷 “豎直”的外部參照物，只能通過(guò)艙內(nèi)的物理實(shí)驗(yàn)裝置 （如保持靜止的重錘）來(lái)做“豎直”與否的參照。將吊 艙用懸鏈吊在天車下，天車在水平軌 道上運(yùn)行。適當(dāng)操作天車使吊艙以 一定的加速度沿水平方向穩(wěn)定加速。 這時(shí)，吊艙內(nèi)的實(shí)驗(yàn)者仍舊認(rèn)為彈簧 秤是“豎直”的，因而其示數(shù)就等于視 重，并且比原先（無(wú)水平加速度時(shí)）測(cè) 到的重力大，這樣自然確認(rèn)例2“是超重現(xiàn)象”！

類似愛(ài)因斯坦的相對(duì)性原理，封閉在吊艙中的研 究者所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法鑒別出它的加速度 不是豎直的。能領(lǐng)會(huì)伽利略、愛(ài)因斯坦的科學(xué)思維方 法，靈活運(yùn)用于不同的問(wèn)題情境、得出與眾不同的合 理結(jié)論，這難道不是教育所追求的“授之以漁”！創(chuàng)新 教育就是希望能多培養(yǎng)這樣的人才。

定義二作為一種開(kāi)放式的定義，就支持這樣的靈 活性，能夠讓學(xué)生有機(jī)會(huì)表現(xiàn)出他們的創(chuàng)造性思維。 支持學(xué)生勇于創(chuàng)新，是教師的天職。

四、兩種定義探討的啟示與建議

• 對(duì)課題與命題的啟示 如果我們按照定義一，或者按照有些老師給定義 二的補(bǔ)充修訂（彈力的豎直分力才叫視重）來(lái)給案例 二這樣的考題設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案——該物體沒(méi)有超重，則 前面所說(shuō)的那樣具備優(yōu)秀核心素養(yǎng)的好學(xué)生，就反而 得不到這一題的分?jǐn)?shù)，這樣的考題、標(biāo)準(zhǔn)答案就扼殺 了這些能創(chuàng)新的好學(xué)生！可見(jiàn)，這樣的簡(jiǎn)單封閉式的 題目不可取。真要考，就不能忽視定義二的開(kāi)放性，

要避免簡(jiǎn)單粗暴限定一刀切的標(biāo)準(zhǔn)答案，使考題出現(xiàn) 可能的“負(fù)區(qū)分度”，從而喪失考試的效度和信度！

反之如果按照定義二在考題中突出靈活性，則可 能有不少基礎(chǔ)欠佳能力不足的學(xué)生難以承受。

正如前文的背景概述，大學(xué)教材不把超重失重當(dāng) 成重要知識(shí)點(diǎn)，中學(xué)物理面對(duì)這樣的考點(diǎn)，更應(yīng)慎重， 不考也罷。完全可以從考試大綱^[7]中刪除。刪了并 不是不能考，它還含在“牛頓定律的應(yīng)用”這個(gè)知識(shí)點(diǎn) 范圍內(nèi)，只是不突出了而已。筆者還建議將超重和失 重從課程標(biāo)準(zhǔn)中刪除，還它“應(yīng)用實(shí)例”的應(yīng)有地位。

2.?對(duì)教學(xué)的建議

雖然筆者建議在考試中避免沖突，將超重和失重 從“知識(shí)點(diǎn)”降格為“應(yīng)用實(shí)例”，但不等于這個(gè)問(wèn)題就 不能在教學(xué)中討論，只要不當(dāng)做區(qū)分高下的“考題”， 而是促進(jìn)學(xué)習(xí)、思考的“習(xí)題”，做做想想當(dāng)然有好處， 做到什么地步，可以因人而異，不同生源可以學(xué)到不 同層次。

3.?對(duì)教材編寫(xiě)的建議

教材編撰時(shí)如果一定要寫(xiě)超重和失重，為了兼顧 降低學(xué)習(xí)難度和促進(jìn)創(chuàng)新思維的教育，筆者建議區(qū)分 出狹義與廣義兩個(gè)層次的超重和失重定義。比如先 給出“狹義超重”和“狹義失重”（就是按定義一的說(shuō) 法），這樣適合多數(shù)學(xué)生作為基本教學(xué)要求，降低教材 難度;但同時(shí)明確這只是“狹義”，不是可以輕易推廣 的結(jié)論。然后教材可以在之后的“思考與討論”等類 似拓展板塊中介紹按定義二規(guī)定的“廣義超重”和“廣 義失重”，并舉例說(shuō)明它們與狹義定義的差異，啟發(fā)學(xué) 生的創(chuàng)新思維。

五、余論

再聯(lián)系一個(gè)更基本的相關(guān)問(wèn)題：重力的定義。按 失重的定義一：物體隨地球自轉(zhuǎn)具有向下的微小加速 度，應(yīng)當(dāng)處于輕微失重狀態(tài)。可是按照現(xiàn)行各版本中 學(xué)物理教材普遍采用的“重力”定義：重力不是地球?qū)?物體的萬(wàn)有引力，而只是“由于地球的吸引而產(chǎn)生的” 力，其大小等于它相對(duì)地面靜止時(shí)對(duì)水平支持物的壓 力（或?qū)ωQ直懸掛物的拉力）。因此，該物體對(duì)地面的 壓力就等于物體的重力，沒(méi)有失重！

進(jìn)一步分析在軌運(yùn)行的飛船中的完全失重現(xiàn)象。 我們想讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)的是“‘重力'還在‘，視重'沒(méi)了（等 零）”?？扇绻麉⒄盏孛嫖矬w重力的定義：地面上物體 的重力要等于萬(wàn)有引力扣除物體隨地球自轉(zhuǎn)向心力 后剩余的分力。合理推廣到繞地球勻速圓周運(yùn)動(dòng)的 飛船中物體的重力，就應(yīng)該扣除它隨飛船圓周運(yùn)動(dòng)的 向心力，于是物體的重力就真沒(méi)了。不是我們想要的 “視重”沒(méi)了，而是“重力”真沒(méi)了，這就違背了超失重 現(xiàn)象教學(xué)的本意。

這看似由于失重的定義一而出現(xiàn)的矛盾。其實(shí) 即使按定義二，也照樣必須先確定比較“視重”大小的 基準(zhǔn)——實(shí)重（物體的重力）。而只要仍采用中學(xué)物 理普遍采納的重力定義，則沖突依舊。甚至，重力定 義中限定的“水平”支撐物、“豎直”懸掛物，在例2的 封閉吊艙中也起不了作用?？梢?jiàn)問(wèn)題的起因已經(jīng)不 是超重和失重的定義了，而在于我們把重力的定義復(fù) 雜化了！如果像一些大學(xué)教材^[8-14]那樣，把重力簡(jiǎn)單 地定義為“地球?qū)Ω浇矬w的萬(wàn)有引力”，上述定義間 就融洽了。

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（葛淵波，福建省中小學(xué)學(xué)科帶頭人，福州市葛淵 波名師工作室領(lǐng)銜人）

（責(zé)任編輯：周志平）