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对超重、失重产生条件的批判和重新定位

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发表于 2017-4-26 12:17:14 |显示全部楼层
                               对超重、失重产生条件的批判和重新定位
              

   导语:传统理论普遍认为,物体具有向上的加速度时,出现超重现象;反之,物体具有向下的加速度时,出现失重现象。笔者分析认为,这个理论是错误的,正确的超重、失重的产生条件应该是:物体具有向下的加速度时,出现超重现象;反之,物体具有向上的加速度时,出现失重现象。本文通过图例、分析印证了自己观点的正确性。
第一部分:对教材的评论
  1、超重失重的条件和定义(引自人民教育出版社、课程教材研究所和物理课程教材研究开发中心编著,2010年3月第3版,2015年5月山东第6次印刷,普通高中课程标准实验教科书《物理》①必修第89页)
  超重的条件:由于m(g+a)>mg,所以当电梯加速上升时,人对电梯地板的压力比人受到的重力大。概括为:当物体具有向上的加速度时。
  超重现象:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象。
  失重的条件:电梯加速下降(或减速上升)时,加速度向下,与坐标轴的正方向相反,a是负值,所以,m(g+a)<mg,这时人对电梯地板的压力比人受到的重力小。概括为:当物体具有向下的加速度时。
  失重现象:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象。
  完全失重的条件及状态:如果物体正好以大小等于g的加速度竖直下落,那么,a=- g,m(g+a)=0,这时物体对支持物、悬挂物完全没有作用力,这种状态是完全失重状态。
  2、评论:⑴教材给出了“电梯”和人,我称电梯为“载体”人为“物体”,那么,在讨论超重和失重时,就要区分清楚是载体还是物体超重或失重,绝对不可以混为一谈不分彼此。⑵笔者认为超重和失重的定义是正确的。多数的人把超、失重后的数据称为“视重”即眼睛看到的重量(重力),静止或匀速状态下的重量(重力)称为“实重”,这些简称告诉人们:眼睛看到的是现象。⑶教材用牛顿第二定律来推算,笔者认为是错误的,超重、失重现象与牛顿第二定律无关。⑷超重、失重产生的条件是加速度不等于0且方向竖直上下,笔者对这一点不否认;但是,对“当物体具有向上的加速度时超重”、“当物体具有向下的加速度时失重”的观点持反对的态度,认为“当物体具有向下的加速度时超重”、“当物体具有向上的加速度时失重”才符合真实情况。
第二部分:图例及分析
  1、如下图,四边形条为载体,长方形为物体,处于静止或匀速状态时为“标准”,三个方向各用同种颜色
标识,弹簧代表测力计(下同)。上列图中,当处于下方的载体加速向上或减速向下时,弹簧被压缩,说明弹簧受到的力比标准大;同样地,下列图中,当处于上方的载体加速向上或减速向下时,弹簧被拉长,说明弹簧受到的拉力也比标准大。那么,对被研究的物体来说,造成弹簧被压缩或拉长的原因,到底是加速度方向向上还是向下呢?
file:///C:/Users/%E5%AD%99%E5%AE%81%E5%AE%87/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
  设标准时速度为v0、加速度为a,时间为t。以载体加速向上为例,假如载体与物体加速度同向,则载体末速度为vt载= v0+at,物体的末速度为vt物 = v0+at,所以,vt载 = vt物 ;上升位移h载 = h物 = v0t+at2/2,此时,末速度相等、位移相同,载体与物体的距离仍然是弹簧的标准时的长度。同样地,载体减速向下时,假如载体与物体加速度同向,则vt载 = vt物= v0-at ,h载 = h物 = v0t-at2/2,此时,末速度相等、位移相同,载体与物体的距离也仍然是弹簧的标准时的长度。结论只能是:加速度方向相同时,弹簧长度仍保持标准长度不变。进一步推论:弹簧既没有受到增大的压力(拉力),也没有受到增大的拉力(压力),因此,便无从产生超重。
  当载体与物体加速度方向相反时,必然出现vt载 ≠vt物,h载 ≠ h物的情况,既不等速也不等距,所以,载体在下时弹簧被压缩、在上时弹簧被拉长 ,这时,一定有增大的压力(拉力)使弹簧被压缩(拉长)。推论1:当载体加速向上或减速向下时,物体具有向下的加速度(如图所示)。在这里,笔者需要特别说明的是,载体与物体的末速度和位移是独立的计算比较的,真实的情况应该是,规律1:当载体具有向上的加速度时,物体由于惯性,仍然保持原来的运动状态,相对地,以载体为参照物,物体便有了向下的加速度,增大的压力(拉力)就是方向向下的ma。超重的计算公式应该是N = mg + ma。当载体恒加速度向上时,物体便处于恒超重状态;超重状态发生后,载体与物体以等速度同向运动。
  2、如图。上列图中,当处于下方的载体减速向上或加速向下时,弹簧比标准长,说明弹簧受到的力比标准小;同样地,下列图中,当处于上方的载体减速向上或加速向下时,弹簧比标准短,说明弹簧受到的拉力也比标准小,这与载体加速向上或减速向下的情况正好相反。
               
file:///C:/Users/%E5%AD%99%E5%AE%81%E5%AE%87/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
file:///C:/Users/%E5%AD%99%E5%AE%81%E5%AE%87/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
由推论1得推论2:当载体减速向上或加速向下时,物体具有向上的加速度(如图所示)。由规律1得规律2:当载体具有向下的加速度时,物体由于惯性,仍然保持原来的运动状态,相对地,以载体为参照物,物体便有了向上的加速度,减小的压力(拉力)就是方向向上的ma。失重的计算公式应该是N = mg - ma。当载体恒加速度向下时,物体便处于恒失重状态;失重状态发生后,载体与物体以等速度同向运动。
   3、完全失重状态的探讨。一般地,完全失重状态是失重状态的压力或拉力等于0的情况,即mg – ma=0,化为a=g,此系载体减速向上或加速向下的加速度突然增大到大小等于重力加速度时的情况(特殊情况下,即a>g时,反倒不是完全失重而是超重了)。除此之外,在地球上还有如下的运动状态时,物体处于完全失重状态,如下图:载体与物体同时做自由落体运动、载体与物体在空中等速同向运动或同时悬浮等。(地球以及其他星球间完全失重的宇宙空间)
file:///C:/Users/%E5%AD%99%E5%AE%81%E5%AE%87/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg
file:///C:/Users/%E5%AD%99%E5%AE%81%E5%AE%87/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg
综上所述,无论超重还是失重(含完全失重),都离不开载体和物体同时出现,载体和物体之间的关系就如同毛之于皮,皮之不存毛将焉附?没有载体,物体的超重或失重由谁来衡量呢?因此,单独一个物体,是无法衡量它是超重或是失重的。
第三部分:重新定位——
   1超重、失重的定义
  超重现象:当载体做向上加速或向下减速运动时,所载物体对载体的压力(或对悬挂载体的拉力)大于物体所受重力的现象。
  失重现象:当载体做向上减速或向下加速运动时,所载物体对载体的压力(或对悬挂载体的拉力)小于物体所受重力的现象。

   2、超重、失重产生的条件:当物体具有向下的加速度时超重(加速度方向与重力同向,简称同向超重)、当物体具有向上的加速度时失重(加速度方向与重力反向,简称反向失重)。
   3、超重、失重的本质:
      ⑴惯性
      ⑵物体所受的重力没有变化,物体所受的支持力或拉力发生了变化。
第四部分:对部分习题的重新分析和正解
   1、箱式电梯上放一台秤,一个重为50kg的人站在台秤上(测力计),电梯以0.5m/s2的加速度加速下降时台秤的示数是多少?(g=10m/s2)
       原解:电梯加速下降时人受力如图
                  由牛顿第二定律   
                      G– FN = ma
                        FN = G – ma
                          = mg – ma
                          =50×10 -50×0.5N
                          =475N
                   由牛顿第三定律
                    人对台秤的压力F’N=FN=475N
                 即台秤的示数为475N。
       正解:由于电梯加速下降,所以人处于失重状态,根据失重状态的计算公式
                     得N = mg – ma
                        =50×10 - 50×0.5N
                        =475N
                   即台秤的示数为475N。
2、下列有关超重和失重的概念的说法正确的是【  】
A.超重是增加了重力
B.失重是有向下的速度
C.超重状态是指物体有竖直向上的加速度
D.完全失重是指物体失去了重力的作用

原解:答案:C
解析:抓住超重与失重的概念进行分析
正解:此题无答案。若要答案为C,应改为“C.超重状态是指物体有竖直向下的加速度”
3、(2012湖北百校联考)下列有关超重和失重的说法,正确的是【】
A. 无论物体处于超重还是失重状态,物体所受的重力总是不变的
B. 做竖直上抛运动的物体处于完全失重状态
C. 在沿竖直方向向上运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于上升过程
D. 在沿竖直方向向上运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于下降过程
  原解: 【答案】A B
【解析】无论物体处于超重还是失重状态,物体所受的重力总是不变的,选项A正确;做竖直上抛运动的物体,其加速度为重力加速度,物体处于完全失重状态,选项B正确;在沿竖直方向向上运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于向上加速或向下减速运动过程,选项CD错误。
  正解: 【答案】A
【解析】无论物体处于超重还是失重状态,物体所受的重力总是不变的,选项A正确;做竖直上抛运动的物体,因为没有载体,所以无法衡量其超重还是失重,因此选项B错误(错误的根源在于说法本身);在沿竖直方向向上运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于向上减速或向下加速运动过程,选项CD错误。
第五部分:《物理》教材第88-89面例题2的修正:
1、题干不变
2、“分析”改为:电梯静止或匀速运动时,地板对人的支持力和人对地板的压力是一对作用力和反作用力,其大小等于人所受的重力G = mg;当电梯加速上升时,由于惯性,人必然产生一个起阻碍作用的力,只要我们确定了力的方向,这个问题就能解决了。
“解”改为:通过分析可知,地板受到的压力由两个力组成,即重力和向下的阻力,因此,人对地板的压力
                       F’= G + ma
                            = m(g + a)
由于m(g + a)>mg,所以当电梯加速上升时,人对电梯地板的压力比人受到的重力大。
   教材“超重现象定义下边的话应改为“反之,电梯加速下降(或减速上升)时,电梯的加速度向下而相对地人的加速度向上,人的加速度的方向与重力方向相反,所以”(以下保留到‘失重现象’)
  “完全失重状态”的描述性定义是错误的,如果循着例题2的话题描述,应该是“如果电梯加速下降(或减速上升)的加速度大小等于重力加速度g时,那么,a = - g,m(g + a) = 0,这时,人对地板完全没有作用力,这种状态是完全失重状态。”(详见第二部分.3)

  好了,写到这里,笔者也累了,我们一起活动下手脚吧:请您赤脚稍息姿势站立,先在前脚脚趾上放一个乒乓球,感觉一下,没有被压迫疼痛的感觉吧?拿起球来,手与肩齐——放手——啪——哎吆!还说自由落体运动的物体是完全失重状态吗?

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发表于 2017-5-8 11:54:58 |显示全部楼层
几经周折,最后得出的结论是:
超重的条件:载体使载物具有向上的加速度时载物超重。
失重的条件:载体使载物具有向下的加速度时载物失重。

多了一个“使”字,才能真正揭示出超重失重的本质

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发表于 2017-5-11 09:29:23 |显示全部楼层
以载体加速向上为例,假如载体与物体加速度同向,则载体末速度为vt载= v0+at,物体的末速度为vt物 = v0+at,所以,vt载 = vt物 ;上升位移h载 = h物 = v0t+at2/2,此时,末速度相等、位移相同,载体与物体的距离仍然是弹簧的标准时的长度




如果弹簧保持原来(电梯匀速或静止状态时)的长度,人所受合外力仍等于0,人是不可能有加速度的,何来vt物 = v0+at?

实际情况是,电梯在匀速上升基础上受到额外的牵引力(向上)而产生向上的加速度,而人保持匀速上升的惯性,因此电梯地板与人的相对距离缩短,即弹簧被压缩变短,人受到的弹力增加,从而人也获得向上的加速度,这个过程是瞬间完成的。如果人是站在电梯地板上,这个弹力是由地板和人的变形产生的,就更不容易看出来了。

离开力谈加速度都是无稽之谈。

点评

寒门学士  我的意思是必然有一个瞬间的因惯性而相对载物反方向的力——所谓的惯性力作用在地板上  发表于 2017-5-12 23:03

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发表于 2017-5-28 17:03:32 |显示全部楼层
自由落体运动和上抛运动绝对不是完全失重状态的运动,因为,他们从根本上就不存在对载体的压力或拉力减小的前提,把本就不存在当成减小到0,实在有违科学严谨。
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