超重失重核心知识的深度解析

文/王 震

高一物理在学习了牛顿三大定律的内容之后，特意安排了2节内容，巩固学习牛顿运动定律的应用，其中就涉及到了超重和失重的问题。本文作者将以此为着手点，与大家一起深入探讨，并且着重就视重类习题进行归纳终结。

“超重”和“失重”现象是人们的日常生活及现代科学实验中常见的一种现象，如蹦极运动，电梯的启动和停止过程，火箭的发射过程及绕地球运动的卫星中，都存在超重和失重现象。而对于超重和失重现象中视重和重力的关系、超重和失重现象的实质等，相当数量的学生还存在模糊认识，因此专题的设置很有必要。

首先让我们从超重和失重的定义入手，来明确到底什么是超重失重？我们要明确超重和失重的定义，当物体或物体系统在竖直系统做加速运动时，物体或物体系统对竖直悬线的拉力或对水平面的压力就不等于重力了。当弹力（拉力或压力）大于重力时，叫做超重；当弹力（拉力或压力）小于重力时，叫做失重；当弹力（拉力或压力）等于零时，叫完全失重。单个物体或整个系统的超重和失重现象是由单个物体或整个系统的竖直方向加速度来决定，即当加速度方向竖直向上为超重，当加速度方向竖直向下则为失重，与物体运动方向没有直接关系。

从定义上，我们知道要判断超重还是失重，我们有两种方法，1.判断拉力或者压力与重力的大小关系；2.判断在竖直方向上的加速度方向。

例1：一个人站在磅秤上，读出体重为500N。在他忽然蹲下的过程中，磅秤上读出的体重有无变化？为什么？

解析：结合上面的加速度方向判断方式，我们容易理解开始下蹲时，加速度向下，失重，读数变小；将要蹲下时，加速度向上，超重，读数变大。

那么，当发生超重失重现象时，物体受到的弹力（拉力或压力）与物体所受到的重力有什么区别呢？我们知道，在物体处于超重、失重状态时，地球作用于物体的重力始终存在，大小也没有变化，只不过要使物体竖直加速上升或竖直加速下降时，支持物或悬挂物对物体的作用力必须发生变化，即对物体的作用力必须大于或小于物体所受重力，这样看起来物体的重量有所增加或减小，我们将弹簧秤或体重计的读数，习惯上称为示重（视重）而物体受到引力而产生的重力称为实重。

在超重失重状态下，由于视重发生了变化，因此将导致由重力产生的相关物理现象都要发生相应的变化，平常由重力产生的所有物理现象都会完全消失，比如单摆将停止摆动、浸没在液体中的物体不再受到浮力、天平不能测量物体的质量、液体不再产生向下的压强等。但是需要注意的是，此时物体所重力依然存在，而且是不变的。请看下面例题：

例2如图所示，体积为V0、密度为水密度一半的木块漂浮在静止的烧杯中的水面上。当升降机以加速度a（a≤g）加速上升或下降时，木块浸入水中的体积各是多少?

说明：只看到木块的超重或失重现象，而忽略水同时存在的超重或失重现象，从而导致解答错误。

该如何用物理知识求解超重失重类习题？一般情况下，我们有两种处理方法：

1.研究对象为个体

当物体在近地面处，如果物体做向上加速运动或向下减速运动，则物体具有向上的加速度，设为a上，此时物体处于超重状态，物体的视重Ｇ′＝ｍ（g＋ａ上）；如果物体做向下加速运动或向上减速运动，则物体具有向下的加速度，设为a下，此时物体处于失重状态，物体的“视重”Ｇ＝ｍ（g－a下）。

例3.某人在地面最多能举起60kg的物体，而在一竖直运动的电梯中，最多能举起80kg的物体，此时电梯的加速度大小是多少？若电梯以此加速度竖直加速上升时，人在升降机内最多能举起质量为多大的物体？（g取10m/s2）

解析：在地面上该人最多能举起60kg的重物，说明他能承受的最大压力（或最多能提供的支持力）N=m0g＝600N。当他在竖直运动的电梯中能举起80kg的物体时，说明质量为80kg的物体对人只产生600N的压力。可见物体处于失重状态，且具有向下的加速度。设加速度大小为a，则由牛顿第二定律，得：mg-N=ma，代入数值可得：a=2.5m/s2即电梯以大小为a=2.5m/s2得加速度向下运动或向上做匀减速直线运动。若电梯以该加速度匀加速上升时，此人能举起的最大质量为m′，则由牛顿第二定律，得：N-m′g=m′a解得：m′=48kg。

2.研究对象为整体

对整个系统而言，如果系统的一部分处于静止状态或者匀速直线运动状态，另一部分处于超重或失重状态，则系统就处于超重或失重状态。设整体中处于超重或失重部分的质量为ｍ，在竖直方向上的加速度或加速度分量的值为ａ，其余部分的质量为Ｍ，则整体的“视重”Ｇ′＝Ｍg＋ｍ（g±a），整体处于超重状态时取“＋”号，整体处于失重状态时取“－”号．

例4.如图所示，置于水平地面上的盛水容器中，用固定于容器底部的细线使一木球悬浮于水中。若将细线剪断，则在木球上升但尚未露出水面的过程中，地面对容器的支持力如何变化？

解析：细线未剪断时，容器、水、木球均处于平衡状态，故地面对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，细线被减断后，它加速上升，处于超重状态。在木球加速上升的过程中，相应的由同体积“水球”以等大的加速度下降填补木球上升形成的空隙，处于始终状态。因木球的质量小于同体积的“水球”质量而其余部分的水及容器仍处于静止状态，所以容器系统呈始终状态，地面支持力将减小。

说明：本题最易犯的错误是只看到木球加速上升所呈的超重状态，而忽视与木球等体积的“水球”加速下降所呈现的始终状态，而得出地面支持力增大的错误结论。

例题5.如下图所示，四个完全相同的斜面体放在粗糙的水平面上，在斜面的顶端放四个质量相同的物块，由于物块与斜面的摩擦力不同，四个物块运动情况各不相同．其中A物块放上后匀加速下滑，B物块获一初速度后匀速下滑，C物块获一初速度后匀减速下滑，D物块放上后静止在斜面上．若在上述四种情况下斜面体均保持静止且对地面的压力依次为F1、F2、F3、F4，则它们的大小关系是

A．F1＝F2＝F3＝F4 B．F1＞F2＞F3＞F4

C．F1＜F2＝F4＜F3 D．F1＝F3＜F2＜F4

解析：本题属于是连接体问题，其中斜面保持静止，故物体的加速度方向就是整体的加速度方向，根据运动学知识，我们可以判断a的加速度沿斜面向下，失重。b处于平衡状态，c的加速度沿斜面向上，超重。d处于静止状态。因此答案选C。

最后我们再来看一下超重、失重的应用。

在生活中，超重、失重现象很常见，比如乘坐汽车时，当汽车在一段坡路上加速向下行驶时，人的内脏器官因失重而“上浮”，使人不舒服这便是失重现象。为减轻桥梁所受压力，桥一般造成凸型，使汽车过桥时有一个向下的加速度而使桥梁所受压力减轻，当汽车经过凹陷的路面时，由于有竖直向上的加速度而出现超重现象，往往使车轮胎由于压力大而爆破。由于重力作用，在地面上，用现代技术制成的滚珠，并不呈绝对球形，这是造成轴承磨损的重要原因之一，如果在宇宙飞船中则可以制成绝对球形的滚珠。诸如此类，我们还能举出很多这样的例子。

总之，超重失重是我们高中物理的一个重要知识点，我们需要正确理解视重和实重。从加速度的方向入手，结合整体法和隔离法，解决相关习题。

（作者单位：江苏省震泽中学）