对物理学中超重与失重现象的分析

对物理学中超重与失重现象的分析

超重,失重是物理学中两种非平衡状态,现就以下几个方面加以分析,希望对初学者有所帮助。

一、区分实重与视重

实重是物体所受的实际重力,它不会因物体运动状态的改变而变化。当物体处于超重或失重状态时,因竖直方向上有了加速度ay,物体对水平支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力)相对于平衡状态时有了变化,此时视重不等于实重,我们称之为超重现象或失重现象。

需注意的是:物体由于处在地球上不同地理位置而使重力值略有不同的现象不属于超重或失重现象。

二、明确超重和失重现象的实质

据超重现象的定义知,物体处于超重状态时,在竖直方上Fy竖直向上,结合牛第二定律知，此时物体具有竖直向上加速度,既ay竖直向上.而物体的速度方向可能向上也可能向下,故物体可能处于加速上升状态,也可能处于减速下降状态。物体处于失重状态时, 在竖直方向上Fy竖直向下, 结合牛第二定律知此时物体具有竖直向下的加速度,既ay竖直向下, 而物体的速度方向可能向上也可能向下,故物体可能处于加速下降状态,也可能处于减速上升状态。如果物体对水平支持物的压力(或对竖直悬挂物的拉力)等于零,叫完全失重现象(此时，a=g方向竖直向下)。

三、通过具体题目进一步理解超重与失重

例1: 如图示,在升降机里,一个小球系于弹簧下端,静止时,弹簧伸长4cm, 升降机运动时, 弹簧伸长2cm,则升降机的运动情况是()

A: 以1m/s2的加速度加速下降

B: 以5m/s2的速度加减速上升

C:以1m/s2的速度加加速上升

D: 以5m/s2的加速度减速下降

分析: 静止小球处于平衡状态，此时应有mg=F1且F1=kx1

运动时应有F2=kx2=kx/2=mg/2

此时重力大于拉力,合力竖直向下,在竖直方向上，物体具有竖直向下的加速度ay,处于失重状态。

由牛顿第二定得:mg-F2=ma,解得a=g/2=5m/s2,方向竖直向下。故B选项正确。

例2: 蹦极是一项非常刺激的体育运动,某人身系弹性绳自高空p点自由下落,图中a点是弹性绳的原长位置,c点是人所到达的最低位置,b点是人静止悬吊着的平衡位置,试分析人在从p点落下到最低c点的过程中运动员所处的状态。

分析:首先对人进行受力分析，在整个下落过程中，人始终受重力且重力恒定不变，p到a过程时，绳子松弛不起作用，a到c时绳的拉力F由0逐渐增大，且b为特殊位置,此时弹力等于重力，即mg=F。

则：pa段时绳不起作用,人自由下落，处于完全失重状态。

ab段弹力小于重力,人加速下降,处于失重状态。

bc段弹力大于重力,人减速下降, 处于超重状态。

例3: 如图示,电梯与地面间夹角为θ,质量为m的人站在电梯上,当电梯以加速度a加速上升时,求人对电梯的压力是多少?

分析: 利用运动的分解将加速度a分解在竖直和水平两个方向上,在竖直方向上有ay=asinθ，且方向竖直向上，如图示,人处于超重状态.竖直方向上由牛顿第二定得：F-mg=mas inθ。由牛顿第三定知，此时人对电梯的压力T=m(g+asinθ)，方向竖直向下。

实质上，在分析超重与失重问题时,关键看物体在竖直方向上加速度的方向,ay向上则为超重,ay向下则为失重。（作者单位系山东省新汶矿业集团第二中学）