5.5 超重与失重 课件-2023-2024学年高一上学期物理鲁科版（2019）必修第一册

第5章 牛顿运动定律 第5节 超重与失重 ENTER 当你乘坐游乐场的游乐装置(图5-23)加速下降时好像心都提到了嗓子眼，这是为什么? 宇宙飞船升空时，航天员要平躺着，而且会感觉胸部受到压力，这又是为什么? 本节将通过牛顿运动定律来理解超重和失重现象。 1.超重现象 ENTER 要知道一个物体所受的重力有多大，直接的办法是利用测力计对它进行测量。 那么，是否无论物体处于什么样的运动状态，用这种办法都能准确测出物体所受重力呢?下面我们做一个小实验。 迷你实验室 通过弹警测力计观察超重 现象在弹簧测力计上挂一个重物，观察并记下静止时测力计的示数。 让往着重物的测力计缓缓弛向上或向下做匀速运动，观察测力计的示数有无变化。 使挂着重物的测力计突然坚直向上做加速运动(图5-24)，仔细观察在加速的瞬间测力计示数有无变化。如有变化，是变大还是变小? 由实验可知，在静止和匀速直线运动状态下，测力计的示数保持不变，而在竖直向上加速时，测力计的示数变大。为什么会有这种现象呢? 重物的受力和运动情况如图5-25所示。重物受到重力G和测力计在竖直方向拉力 T的作用，以加速度a 竖直向上加速运动。若取竖直向上为正方向，根据牛顿第二定律可得T –G = ma 所以 T= ma+G >G 根据牛顿第三定律，测力计的示数(重物对测力计的拉力大小)等于测力计对重物的拉力 T。可见，当重物竖直向上加速运动时，测力计示数要大于重物所受的重力。 物理学中把物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)大于物体所受重力的现象称为超重现象。 人们乘电梯加速上升时，就处于超重状态。 2.失重现象 ENTER 在游乐场的升降机中，若我们以乘坐升降机的人为研究对象，人受到重力G和座椅在竖直方向的支持力N的作用如图5-26所示。 当升降机竖直向下加速时，加速度的方向竖直向下。取竖直向下为正方向，根据牛顿第二定律可得： G-N=ma 所以 N=G-ma=m(g-a)<G 根据牛顿第三定律，人对座椅的压力大小等于N。可见，当物体竖直向下加速时，人对座椅的压力小于人所受的重力。 物理学中把物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)小于物体所受重力的现象称为失重现象。 人们乘电梯加速下降时，就处于失重状态。若竖直向下的加速度大小正好等于重力加速度g，人对座椅的压力N=0，这称为完全失重现象。 我们在游乐场乘坐升降机做自由落体运动时，就处于完全失重状态。 物理聊吧 在超重或失重现象中，物体受到的重力大小是否改变? 若人对座椅的压力为0,是否可以认为人所受的重力就为0?为什么? 例题 一个质量为70kg的人乘电梯下楼。若电梯以3m/s的加速度匀减速下降[图5-27(a)]，求这时他对电梯地板的压力。(取重力加速度g=10m/s 2) 分析 人向下做匀减速直线运动，说明加速度方向与速度方向相反，即加速度方向向上。可根据牛顿第二定律求出支持力，然后由牛顿第三定律求得人对地板的压力。 解：以人为研究对象，受力分析如图5-27(b)所示。 取竖直向上为正方向，设电梯地板对人的支持力大小为V。 根据牛顿第二定律可得：N-mg=ma 所以 N=m(a+g) =70×(3+10)N =910N 根据牛顿第三定律，人对地板的压力大小也等于910N，方向竖直向下。 讨论 人对电梯地板的压力大于自身重力，出现超重现象。无论物体是向上运动还是向下运动，只要加速度方向向上，就必然产生超重现象。该情境中若加速度较大，人会有怎样的感受? 迁 移 若加速度方向向下，情况会怎么样呢? 在例题中，若电梯离开某楼层匀加速下降，其他条件不变，则人对电梯地板的压力又为多大? 请计算得出结果。 科学书屋 航天器中的超重和失重 航天器加速升空和减速返回地面时，其上的一切物体都会处于超重状态。如果航天员站立或坐着，在超重情况下，会出现足部血压升高、头部供血不足等现象,轻则引起视觉障碍，重则发生晕厥。 因此，航天员应平躺于座椅上(图5-28)，这样可减轻超重对人体的影响。 航天器进入轨道后，所有物体都 近似处于完全失重状态。 观看我国航天员王亚平进行太空校课的视频，你会发现若干失重现象: 悬浮于空中的圆形水球(图5-29)、不断转圈的单摆、飘来飘去的航天员等。这些都是我们在地面上无法体验到的完全失重现象。 节练习 ENTER 1.某同学手提一袋水果站在电梯内。在下列四种情形中，手受到的拉力最大的是 （ ） A电梯匀速上升 B.电梯匀速下降 C电梯加速上升 D,电梯加速下降 课堂练习 2.为了观察超重和失重现象，质量为50 kg的小红站在电梯内的体重计上，如图所示。求电梯处于下列运动状态时体重计的示效:( 取重力加速度g=10m/s) (1)电梯匀速上升 电梯匀速上升,加速度为0,体重计的示数为 F1 = mg = 5