生活中的超失重問(wèn)題探討

徐健榮

【摘要】我們的生活與物理息息相關(guān).本文聚焦生活中的超失重問(wèn)題，探究牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律在實(shí)際生活中的應(yīng)用，總結(jié)和分析超失重問(wèn)題中的解題思路.

【關(guān)鍵詞】高中物理；牛頓運(yùn)動(dòng)定律；超失重問(wèn)題

在上升或下降的電梯中，你是否會(huì)感受到腳與地板之間的擠壓與靜止?fàn)顟B(tài)下的不同？這就是與超失重問(wèn)題有關(guān)的一種典型生活現(xiàn)象.那生活中還有哪些超失重現(xiàn)象？我們又該如何解決這些現(xiàn)象帶來(lái)的物理問(wèn)題？本文聚焦不同生活情境下的超失重問(wèn)題，給出此類問(wèn)題的解決思路，感受物理與生活的交融之美［1］.

1 電梯內(nèi)的超失重

例1 已知小明的質(zhì)量為m，他要坐電梯從1樓上升至40樓到達(dá)自己的公司，此過(guò)程中電梯速度v隨時(shí)間t變化的圖象如圖1所示，重力加速度為g，下列說(shuō)法正確的是（? ）

（A）0～t1時(shí)間內(nèi)電梯對(duì)小明的支持力大小小于mg.

（B）t1～t2時(shí)間內(nèi)小明處于超重狀態(tài).

（C）t2～t3時(shí)間內(nèi)小明處于失重狀態(tài).

（D）t2～t3時(shí)間內(nèi)電梯對(duì)小明的支持力不斷減小.

分析 閱讀完題目，首先應(yīng)該觀察圖象，明確圖象的自變量與因變量，知道不同時(shí)間段速度的變化代表著什么運(yùn)動(dòng).第二步觀察選項(xiàng)，出現(xiàn)超失重狀態(tài)的判斷，而它們與兩個(gè)概念有關(guān)，一個(gè)是物體的重力，這是物體自身的固有性質(zhì)，不會(huì)隨著情況發(fā)生任何變化；另一個(gè)則是視重，強(qiáng)調(diào)的是物體對(duì)外界壓力的效果，會(huì)隨著外界情況的改變而不斷變化.當(dāng)視重大于實(shí)際重力時(shí)，物體處于超重狀態(tài)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律：物體的加速度方向與合力方向相同，指向視重方向，方向向上，那么失重情況時(shí)，則剛好相反，視重小于實(shí)重，加速度方向向下.此時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)加速度的變化，利用牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律能快速判斷出物體所處的超失重狀態(tài)［2］.

解析 題中4個(gè)選項(xiàng)均是關(guān)于不同時(shí)間段的物體運(yùn)動(dòng)，故分時(shí)間段分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在0～t1時(shí)間內(nèi)，速度v隨時(shí)間t勻速變化，速度方向向上，電梯勻加速上升，小明處于超重狀態(tài)，根據(jù)FN－mg=ma可知，電梯對(duì)小明的支持力大于mg，故（A）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

在t1～t2時(shí)間內(nèi)，速度始終不變，無(wú)加速度，電梯勻速上升，小明處于平衡狀態(tài)，視重、實(shí)重?zé)o變化.故（B）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

在t1～t3時(shí)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)電梯處于減速狀態(tài)，但同時(shí)在向上運(yùn)動(dòng)，即加速度方向向下，視重小于實(shí)際重力，小明處于失重狀態(tài)，由牛頓第二定律可知，此時(shí)mg－FN=ma，觀察切線斜率，加速度在此時(shí)間段內(nèi)逐漸減小，但是重力是不會(huì)變化的，故電梯對(duì)電梯對(duì)小明的支持力不斷增大，則（C）選項(xiàng)正確，（D）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

2 運(yùn)動(dòng)中的超失重

例2 為了研究超重和失重現(xiàn)象，某同學(xué)站在力傳感器上連續(xù)做“下蹲”和“起立”動(dòng)作，力傳感器連接到計(jì)算機(jī)上，得到如圖2的壓力隨時(shí)間變化的圖線，下列說(shuō)法正確的是（? ）

（A）該同學(xué)在t2時(shí)刻的加速度比在t4時(shí)刻的加速度小.

（B）該同學(xué)在t3到t4時(shí)間段內(nèi)在做“起立”動(dòng)作.

（C）該同學(xué)在t1到t5時(shí)間段內(nèi)共下蹲兩次，起立兩次.

（D）該同學(xué)在t1到t5時(shí)間段內(nèi)共下蹲一次，起立一次.

解析 人站在傳感器上只受到重力G和支持力N的作用.靜止時(shí)二者為一對(duì)平衡力，大小相等，方向相反，由此可知圖中橫線部分即為該同學(xué)的重力，此時(shí)其未做任何動(dòng)作，受力平衡，故G=500N.t2時(shí)刻支持力小于重力，加速度方向向下，合外力大小為F合2=mg－F2.t4時(shí)刻支持力大于重力，加速度方向向上，合外力大小為F合4=F4－mg.觀察圖象可知F合2>F合4，由牛頓第二定律可得a2>a4，故（A）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

“下蹲”過(guò)程時(shí)，先加速下降到達(dá)一個(gè)最大速度后開始減速下降，則先失重再超重，“起立”時(shí)就剛好相反，先加速上升到達(dá)一個(gè)最大速度后再減速上升，對(duì)應(yīng)的是先超重再失重.對(duì)應(yīng)到圖象中，我們可以發(fā)現(xiàn)在此過(guò)程中學(xué)生“下蹲”和“起立”的動(dòng)作都只發(fā)生了一次，圖象前一部分先失重后超重，就是“下蹲”過(guò)程，后一部分先超重后失重，很明顯是“起立”過(guò)程.該同學(xué)在t3到t4時(shí)間段內(nèi)正處于“下蹲”過(guò)程中.故（B）（C）選項(xiàng)錯(cuò)誤，（D）選項(xiàng)正確.

3 纜車中的超失重

例3 如圖3，即將重新開放的公園原纜車索道全長(zhǎng)625m，乘坐纜車可以飽覽市區(qū)的美景.如圖4，在纜車水平底板上放一個(gè)行李，若纜車隨傾斜直纜繩加速上行，則行李（? ）

（A）受到底板的摩擦力方向水平向右.

（B）受到底板的支持力大于行李的重力.

（C）處于失重狀態(tài)，且受豎直方向上的底板的作用力.

（D）處于超重狀態(tài)，且受到底板作用力的方向沿纜繩斜向上.

解析 纜車問(wèn)題也是常見的一種超失重現(xiàn)象.與之前有明確加速度方向的題目不同，纜車問(wèn)題更多的是要注意加速度方向上的合力并不是全部提供給運(yùn)動(dòng)行為的，要進(jìn)行受力分析.

纜車隨傾斜直纜繩加速上行，物體實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向就是物體的加速度方向，可知行李的加速度方向?yàn)樾毕蛏掀螅瑒t行李具有水平向左的分加速度，由此可知是行李受到底板的摩擦力提供了這部分加速度，即摩擦力方向水平向左；同時(shí)行李還具有豎直向上的分加速度，則行李受到底板的支持力大于行李的重力，即視重大于實(shí)重，行李處于超重狀態(tài)，故（A）（C）選項(xiàng)錯(cuò)誤，（B）選項(xiàng)正確.

題目一開始，我們可知行李受到的加速度沿纜繩斜向上，則行李受到的合力方向斜向上偏左，對(duì)行李受力分析，受到重力、摩擦力和底板對(duì)其的支持力，加速度方向所在的合力可由兩部分力提供，一部分為摩擦力，另一部分則是行李受到底板的作用力與重力平衡過(guò)后所剩的力，故行李受到底板的作用力方向不是沿纜繩斜向上的，（D）選項(xiàng)錯(cuò)誤.

4 結(jié)語(yǔ)

生活中的物理現(xiàn)象數(shù)不勝數(shù)，本文以生活中常見的超重與失重現(xiàn)象為例，用物理思維分析各個(gè)情形下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又有趣又理性，讓學(xué)生知道物理問(wèn)題不是束之高閣的探討，而是平易近人的思考，為之后的物理問(wèn)題探索指明方向［3］.

參考文獻(xiàn)：

［1］秦豐.超重和失重問(wèn)題各個(gè)擊破［J］.新課程（下），2013（02）：33.

［2］朱官恕.超重與失重問(wèn)題及其拓展［J］.高考（綜合版），2013（04）：93.

［3］郭金軍.超失重問(wèn)題的深度思考［J］.中學(xué)物理，2015，33（07）：96-97.