新旧教材“超失重”定义的探讨与建议

葛渊波　吴颖

摘要 超重和失重的本意是“视重大于或小于实重”。但在许多高中物理教师心中普遍认同的却是旧人教版教材的定义：物体加 速度向上时超重、向下时失重。后者虽然简单，有利于降低教学、考试难度，但科学性欠严谨，束缚了高中师生的创新思 维，不利于优质高中培养拔尖创新人才。文章借鉴伽利略的“大船舱”等科学思维方法，拓展超重和失重的研究范围和思 路，揭示了旧定义的偏颇。进而对教参教辅的修编，以及考试命题等，提出了灵活处理、支持创新的建议和提示。

关键词 教材;超重;失重;定义;创新思维

超失重是细致观察生活容易看到的一类有趣现 象，也是高中物理动力学知识的一个有趣推论，当下 又成了高中物理考试的一个热点。但是许多高中教 师并没有认真研究人教版、鲁教版新教材对超重和失 重的新定义，而是习惯性地沿用旧教材的定义，并依 此命题和设置标准答案。而这样的考题或标准答案 可能不科学严谨，反而搓伤了优秀好学生的创新思维。

一、多种教材关于“超失重”及其定义的概述 笔者查阅了20余种大学普通物理力学教材，发现 超失重问题基本“不受待见”，多数在例题或习题中轻 描淡写，有的根本只字不提。这说明超重和失重本就 不是物理的基本概念或主要规律，可以不用当成一个 “知识点”。

中学物理教材中最早涉及超失重问题的是成书 于20世纪70年代末的《全日制十年制学校高中课本 （试用本）物理上册》，但并未单列一节，而且也不在牛 顿定律这一章，而是出现在其第五章“圆周运动·万有 引力”第九节“人造地球卫星”的第二大点“人造地球 卫星中的超重和失重”，其引言说：“自从人造地球卫 星和宇宙飞船发射成功以来，人们常常谈到超重和失 重……”⑴。可见，这超失重来源于人们感觉有趣的 话题，是一个牛顿定律应用的有趣例子。

20世纪80年代后半叶在《高级中学课本（试用） 物理（乙种本）上册》基础上改编而成的《高级中学课本 物理上册》书中没有找到任何关于超重失重的内容，可 见这在当时并不是对所有学生提出的基本教学要求。

不过，在20世纪80年代上半叶，适用于重点高中 的《高级中学课本（试用）物理（甲种本）第一册》已在 其第三章“运动定律”中单列了第十节“超重和失重” 。 从此这一内容似乎成了一个正式的“知识点” ，也从此 逐步成了越来越热门的考点，以至后来写入了教育部 制订的《普通高中物理課程标准（实验）》^[2]的必修模 块“物理1”中，正式成为所有学生都必须掌握的基本 要求。

具体到超重和失重的定义，由于上述“甲种本”教 材影响深远，它对超重和失重的定义影响了一代又一 代的物理教师，哪怕新课程教材开始有了不同的定 义，甲种本的定义仍然被众多老师、众多教辅书籍引 用，至今仍是影响力最大的一种定义：“当物体存在向 上的加速度时，它对支持物的压力（或对悬挂物的拉 力）大于物体重量的现象，叫做超重现象。”“当物体存 在向下的加速度时，它对支持物的压力（或对悬挂物 的拉力）小于物体重量的现象，叫做失重现象”^[3]。本 文将它简称为“定义一”，其中“它对支持物的压力（或 对悬挂物的拉力）”就是俗称的“视重” ，“物体的重量” 就是“实重”（它的确切定义本文第五大点还要推敲）。 就现象而言，超重和失重就是“视重”大于还是小于 “实重”。但定义一还将产生超失重现象的一种原因 写入了定义。

2005年出版的人教版《普通高中课程标准实验教 科书 物理1 必修》第四章“牛顿运动定律”第7节“用 牛顿定律解决问题（二）”的第二大点“超重和失重”给 出的定义：“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，称为超重现象。”“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，称为失重现象”^[4]。本文将它简称为“定 义二”。现象描述其实完全一样，但定义二未限定发 生现象的原因。

同时期由课标组组长廖伯琴教授主编的鲁科版 普通高中课程标准实验教科书 物理1 必修》给出的 定义^[5]和定义二基本一致，不再引述。

二、 新旧教材两种定义的区别

但为什么上述两种新教材会不约而同地改用上 述定义二？它跟定义一完全等价吗？

定义二并没有明确规定超重失重的产生原因、情 境，是开放式的定义，只论结果不管原因。而定义一 不仅明确了最终的现象，而且限定了产生结果的原 因，属于封闭式的定义。一旦在超出定义一限定的情 境下产生了同样现象，按定义一只好不算超重或失 重，而按定义二则仍是超重或失重，结论相反！可见， 二者不仅不等价，而且可能不融洽。

明明有“拉力大于重力”的现象，但如果按定义 一，这时小球的加速度向下，不是超重，反而应当算失 重。不仅不符合定义二，连学生心里都难以接受。有 些教师只好说“它离开了特定情境”^[6]。所谓“特定情 境”是要求“研究对象沿竖直方向做直线运动”，可是 从前文概述的历史背景可以看出，超失重是由人造地 球卫星而引发的话题，它生来就没有限定过这样的 “特定情境”！

况且，就算在竖直方向做直线运动，只要研究对 象向下的加速度大于2g，支持物对它的支持力（向下） 也会大于它的重力，矛盾仍然存在。所以“特定情境” 说显然牵强，定义一在这样的情境下并不合理。

如果按照定义二，则结论简单明了：这就是超重 现象！现象和结论相符，学生也易于接受。

虽然两种定义都出自正规教科书、都有较大的认 同度，但对上述案例是否超重或失重，两种定义判断 的结论相反，说明二者并不等价。由于定义一中限定 的“原因”不完备，因而科学性不严谨。这样得到的结 论如果违背定义二，就应当以定义二为准。

三、 定义二支持的创新思维

案例1：如图2所示，水平轨道 上有一辆小车沿水平方向做加速 运动，车厢天花板下挂一弹簧秤， 秤下挂一物块，这时弹簧秤示数显然会大于物块的重力。

按照定义一，没有竖直方向的加速度，这种现象 并不是超重现象。

按照定义二，它就是超重的现象！ 不少教师并不认可这样用定义二，认为这时弹簧 秤的读数并不等于重物的“视重”，认为弹力的竖直分 力才等于视重，所以视重并没有大于实重。这一说法 也符合大家的直觉，似乎有道理。但仔细想想，说它 是超重也不是没有道理的。

首先，定义二的原文并未要求“对支持物的压力 （或对悬挂物的拉力）”要竖直，或是用它的竖直分力 来做比较;其次，真实情境中，是否都能分辨出竖直方 向并将拉力分解出竖直分力？

借鉴伽利略“大船舱”的科学思维方法来思考例 2：将普通有窗的火车厢，改成四周不透明的“吊舱” （如图3所示），这样吊舱中的实验者失去了用以判断 “竖直”的外部参照物，只能通过舱内的物理实验装置 （如保持静止的重锤）来做“竖直”与否的参照。将吊 舱用悬链吊在天车下，天车在水平轨 道上运行。适当操作天车使吊舱以 一定的加速度沿水平方向稳定加速。 这时，吊舱内的实验者仍旧认为弹簧 秤是“竖直”的，因而其示数就等于视 重，并且比原先（无水平加速度时）测 到的重力大，这样自然确认例2“是超重现象”！

类似爱因斯坦的相对性原理，封闭在吊舱中的研 究者所做的任何力学实验，都无法鉴别出它的加速度 不是竖直的。能领会伽利略、爱因斯坦的科学思维方 法，灵活运用于不同的问题情境、得出与众不同的合 理结论，这难道不是教育所追求的“授之以渔”！创新 教育就是希望能多培养这样的人才。

定义二作为一种开放式的定义，就支持这样的灵 活性，能够让学生有机会表现出他们的创造性思维。 支持学生勇于创新，是教师的天职。

四、两种定义探讨的启示与建议

• 对课题与命题的启示 如果我们按照定义一，或者按照有些老师给定义 二的补充修订（弹力的竖直分力才叫视重）来给案例 二这样的考题设置标准答案——该物体没有超重，则 前面所说的那样具备优秀核心素养的好学生，就反而 得不到这一题的分数，这样的考题、标准答案就扼杀 了这些能创新的好学生！可见，这样的简单封闭式的 题目不可取。真要考，就不能忽视定义二的开放性，

要避免简单粗暴限定一刀切的标准答案，使考题出现 可能的“负区分度”，从而丧失考试的效度和信度！

反之如果按照定义二在考题中突出灵活性，则可 能有不少基础欠佳能力不足的学生难以承受。

正如前文的背景概述，大学教材不把超重失重当 成重要知识点，中学物理面对这样的考点，更应慎重， 不考也罢。完全可以从考试大纲^[7]中删除。删了并 不是不能考，它还含在“牛顿定律的应用”这个知识点 范围内，只是不突出了而已。笔者还建议将超重和失 重从课程标准中删除，还它“应用实例”的应有地位。

2. 对教学的建议

虽然笔者建议在考试中避免冲突，将超重和失重 从“知识点”降格为“应用实例”，但不等于这个问题就 不能在教学中讨论，只要不当做区分高下的“考题”， 而是促进学习、思考的“习题”，做做想想当然有好处， 做到什么地步，可以因人而异，不同生源可以学到不 同层次。

3. 对教材编写的建议

教材编撰时如果一定要写超重和失重，为了兼顾 降低学习难度和促进创新思维的教育，笔者建议区分 出狭义与广义两个层次的超重和失重定义。比如先 给出“狭义超重”和“狭义失重”（就是按定义一的说 法），这样适合多数学生作为基本教学要求，降低教材 难度;但同时明确这只是“狭义”，不是可以轻易推广 的结论。然后教材可以在之后的“思考与讨论”等类 似拓展板块中介绍按定义二规定的“广义超重”和“广 义失重”，并举例说明它们与狭义定义的差异，启发学 生的创新思维。

五、余论

再联系一个更基本的相关问题：重力的定义。按 失重的定义一：物体随地球自转具有向下的微小加速 度，应当处于轻微失重状态。可是按照现行各版本中 学物理教材普遍采用的“重力”定义：重力不是地球对 物体的万有引力，而只是“由于地球的吸引而产生的” 力，其大小等于它相对地面静止时对水平支持物的压 力（或对竖直悬挂物的拉力）。因此，该物体对地面的 压力就等于物体的重力，没有失重！

进一步分析在轨运行的飞船中的完全失重现象。 我们想让学生领会的是“‘重力'还在‘，视重'没了（等 零）”。可如果参照地面物体重力的定义：地面上物体 的重力要等于万有引力扣除物体随地球自转向心力 后剩余的分力。合理推广到绕地球匀速圆周运动的 飞船中物体的重力，就应该扣除它随飞船圆周运动的 向心力，于是物体的重力就真没了。不是我们想要的 “视重”没了，而是“重力”真没了，这就违背了超失重 现象教学的本意。

这看似由于失重的定义一而出现的矛盾。其实 即使按定义二，也照样必须先确定比较“视重”大小的 基准——实重（物体的重力）。而只要仍采用中学物 理普遍采纳的重力定义，则冲突依旧。甚至，重力定 义中限定的“水平”支撑物、“竖直”悬挂物，在例2的 封闭吊舱中也起不了作用。可见问题的起因已经不 是超重和失重的定义了，而在于我们把重力的定义复 杂化了！如果像一些大学教材^[8-14]那样，把重力简单 地定义为“地球对附近物体的万有引力”，上述定义间 就融洽了。

参考文献：

[1]中小学通用教材编写组.全日制十年制学校高中课本

（试用木）物理上册[M]，北京：人民教育出版社，979：173.

[2] 教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人 民教育出版社，2003：13.

[3] 张同恂，方玉珍，马淑美. 高级中学课本（试用）物理 （甲种木）第一册[M].北京：人民教育出版社，1983：129-130.

[4] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究 开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理1必修[M].北 京：人民教育出版社，2004：93-94.

[5] 司南中学物理教材编写组. 普通高中课程标准实验教 科书物理1必修[M].山东：山东科学技术出版社，2011： 118- 119.

[6] 叶安荣.也谈超重失重[J].物理教师，2011（10）：21.

[7] 教育部考试中心. 2019年普通高等学校招生全国统一 考试大纲理科[M].北京：高等教育出版社，018：122.

[8] 赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程·力学（2版）[M1].北 京：高等教育出版社，2004：58.

[9] 舒幼生.力学[M].北京：北京大学出版社，2005：45.

[10] 鄭永令，贾起民，方小敏.力学（2版，）[M].北京：高等 教育出版社，2002：66.

[11] 蔡伯濂.力学[M].长沙：湖南教育出版社，1985：69.

[12] 李复.力学教程（上）[M].北京：清华大学出版社， 2011：68.

[13] 张汉壮，工文全.力学（2版，）[M].北京：高等教育出版 社，2012：49.

[14] 梁昆淼.力学（上册，第4版，）[M].北京：高等教育出 版社，2010：118.

（葛渊波，福建省中小学学科带头人，福州市葛渊 波名师工作室领衔人）

（责任编辑：周志平）