第4章 第6节 失重和超重（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理必修第一册（粤教版2019）

第六节　失重和超重 课程内容要求 核心素养提炼 1．通过体验或者实验，认识失重和超重现象． 2．通过在电梯里观察体重计示数或其他方式发现失重和超重现象产生的条件，并应用牛顿运动定律分析失重和超重现象发生的动力学原因，理解失重和超重现象的本质． 3．了解失重和超重现象在各个领域中的应用，解释生活中的失重和超重现象． 1．物理观念：相互作用观念，能够运用牛顿第二定律和牛顿第三定律分析失重和超重现象． 2．科学思维：经历实验和理论探究过程，体会科学探究的方法，领略运用牛顿运动定律解决实际问题的方法． 3．科学探究：通过实验认识失重和超重现象，理解失重、超重现象的实质． 4．科学态度与责任：培养学生用科学知识解释生活现象的能力，激发学生的学习热情和兴趣，形成良好的科学态度与责任． 1．失重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受的重力的现象． 2．超重：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受的重力的现象． [思考] 用测力计测物体的重力时，测力计的读数一定等于物体的重力吗？ 提示　不一定，只有在静止的情况下，测力计的读数才等于物体的重力． 1．失重的条件：当物体加速下降或减速上升时，即具有向下的加速度时，物体出现失重现象． 2．超重的条件：当物体加速上升或减速下降时，即具有向上的加速度时，物体出现超重现象． 3．超重、失重与物体运动方向无关，只与竖直方向的加速度有关． 1．定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)等于零的状态． 2．产生条件：a＝g，且方向竖直向下． 3．航天器进入太空后，其中的人和物体处于完全失重状态． [判断] (1)物体处于超重状态时，是指物体的重力增大了．(×) (2)在正常运行的航天器内仍可以用天平测出物体的质量．(×) 探究点一　失重、超重现象的理解 如图所示，找一个用过的易拉罐、金属罐头盒或塑料瓶，在靠近底部的侧面打一个洞，用手指按住洞，在里面装上水． (1)移开手指，水就从洞中射出来，这是为什么？ 提示　水能从洞中流出的原因是因为水能产生压力，静止时，洞之上的水产生的压力把洞附近的水压出． (2)如果放开手，让瓶子自由落下，在下落的过程中，水将不再从洞中射出，实际做一做，观察所产生的现象．怎样解释这一现象？ 提示　在瓶子自由落下的过程中，水处于完全失重状态，洞附近的水不再受压力，所以水将不再从洞中射出． 1．重力 物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化． 2．失重和超重的理解与判断 (1)当视重与物体的重力不同时，即发生了失重和超重现象． (2)判断物体失重和超重的方法 ①从受力的角度判断： 失重：物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力． 超重：物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力． ②从加速度的角度判断： 当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时，处于失重状态． 当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时，处于超重状态． 关于失重和超重，下列说法正确的是(　　) A．物体处于超重时，物体一定在上升 B．物体处于失重状态时，物体可能在上升 C．物体处于完全失重时，地球对它的引力就消失了 D．物体在完全失重时，它所受到的合外力为零 B　[物体处于超重时，具有向上的加速度，但其运动方向不确定，可能向上加速，也可能向下减速，A错误；物体处于失重或者是完全失重状态时，具有向下的加速度，可能向下加速，也可能向上减速，B正确；完全失重时，物体仍受到地球对它的吸引力，即受到重力的作用，合外力不为零，C、D错误．] [训练1]　(2020·辽宁沈阳检测)关于失重和超重，下列说法正确的是(　　) A．超重指的是物体的重力增加，失重指的是物体的重力减少，完全失重是指物体重力完全消失的现象 B．站在减速下降的升降机中的人处于失重状态 C．被踢出去的足球在飞行过程中处于失重状态 D．举重运动员双手举住杠铃不动时处于超重状态 C　[当物体对接触面的弹力大于物体的重力时，物体处于超重状态，此时有向上的加速度；当物体对接触面的弹力小于物体的重力时，物体处于失重状态，此时有向下的加速度；如果没有弹力了，那么就是处于完全失重状态，此时向下加速度的大小为重力加速度g，而物体的重力没有变化，故选项A错误；站在减速下降的升降机中的人，其加速度方向竖直向上，即处于超重状态，故选项B错误；被踢出去的足球在飞行过程中只受到重力作用，其加速度为重力加速度g，故其处于完全失重状态，故选项C正确；举重运动员双手举住杠铃不动时，杠铃处于平衡状态，加速度为零，故选项D错误．] 探究点二　失重、超重现象的分析与计算 (1)人站在体重计上静止时，体重计的示数就显示了人的体重．人从站立状态到完全蹲下，体重计的示数如何变化？为什么会发生这样的变化？ 提示　体重计的示数先减小后增大，再减小到重力G.因为人在下蹲的过程中，重心下移，即向下做先加速后减速的运动，加速度的方向先向下后向上，所以人先处于失重状态再处于超重状态，最后处于平衡状态，故体重计的示数先减小后增大，再减小到重力G. (2)把台秤放在箱式电梯里，在秤盘里放着一物体，分析以下问题． ①什么情况下台秤示数会大于物体重力？发生超重时物体可能怎样运动？你能根据牛顿第二定律解释这一现象吗？ ②什么情况下台秤示数会小于物体重力？发生失重时物体可能怎样运动？你能根据牛顿第二定律解释这一现象吗？ ③什么是完全失重？完全失重时物体的重力消失了吗？ 提示　①物体具有向上的加速度时，台秤示数大于实际重力．物体可能加速上升或者减速下降．F＝m(g＋a) ②物体具有向下的加速度时，台秤示数小于实际重力．物体可能减速上升或者加速下降．F＝m(g－a) ③物体向下的加速度等于重力加速度时，物体只受重力，不再受支持力或者拉力．重力没有消失． 1．视重 当将物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上时，弹簧测力计或台秤的示数称为“视重”，大小等于弹簧测力计所受的拉力或台秤所受的压力． 2．失重、超重的分析 　　特征 状态　　 加速度 视重(F)与重力的关系 运动情况 受力图 平衡 a＝0 F＝mg 静止或匀速直线运动 失重 向下 F＝m(g－a)＜mg 向下加速或向上减速 超重 向上 F＝m(g＋a)＞mg 向上加速或向下减速 完全失重 向下a＝g F＝0 抛体运动、自由落体运动、卫星的运动等 [特别提醒]　在完全失重状态下，由重力引起的现象将消失．例如：液体的压强、浮力将为零；水银压强计、天平将无法使用；摆钟停摆；弹簧测力计不能测重力等． 质量是60 kg的人站在升降机中的体重计上，当升降机做下列各种运动时，体重计的读数是多少？(g取10 m/s2) (1)升降机匀速上升； (2)升降机以4 m/s2的加速度匀加速上升． [思路点拨]　(1)以人为研究对象进行受力分析，根据牛顿第二定律列方程求解． (2)由牛顿第三定律知，人受到的支持力与人对体重计的压力大小相等，所以体重计的读数等于人受到的支持力的大小． 解析　以人为研究对象受力分析如图所示： (1)匀速上升时a＝0，所以 FN1－mg＝0 FN1＝mg＝600 N 据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到的支持力的大小，即FN1′＝FN1＝600 N. (2)匀加速上升，a方向向上，取向上为正方向 则FN2－mg＝ma FN2＝m(g＋a)＝60×(10＋4)N＝840 N 根据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到的支持力的大小，即FN2′＝FN2＝840 N. 答案　(1)600 N　(2)840 N [变式1]　在[例2]中，若升降机以3 m/s2的加速度匀减速上升或匀加速下降，此时体重计的读数是________ N．(g＝10 m/s2) 解析　匀减速上升和匀加速下降，a的方向都是向下的，取向下为正方向，则mg－FN＝ma FN＝m(g－a)＝60×(10－3)N＝420 N 根据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到的支持力的大小，即 FN′＝FN＝420 N. 答案　420 [变式2]　在[例2]中，若升降机的顶部悬挂了一只弹簧测力计，测力计下挂着一个质量m0＝5 kg 的物体A．当升降机向上运动时，站在升降机里的人看到弹簧测力计的示数为40 N，取g＝10 m/s2，则升降机的加速度为______ m/s2，方向______，此时人对体重计的压力为______ N. 解析　对A受力分析，根据牛顿第二定律得m0g－F弹＝m0a， 得a＝g－＝10 m/s2－ m/s2＝2 m/s2， 则升降机的加速度为2 m/s2，方向竖直向下． 对人受力分析，根据牛顿第二定律得 mg－FN＝ma， 解得FN＝mg－ma＝60×(10－2)N＝480 N， 则由牛顿第三定律知人对体重计的压力大小为480 N. 答案　2　向下　 480 [训练2]　(多选)人站在电梯内的体重计上，当体重计的示数增大时，可能的原因是(　　) A．电梯以很大的速度匀速上升 B．电梯减速下降 C．电梯减速上升 D．电梯加速上升 BD　[电梯速度很大，若匀速上升，重力等于支持力，FN＝mg，A错误；电梯减速上升或加速下降，加速度方向都向下，处于失重状态，体重计示数小于重力，示数变小，C错误；电梯减速下降或加速上升时，加速度方向向上，处于超重状态，根据牛顿第二定律有：FN－mg＝ma，则FN＝mg＋ma＞mg，体重计示数增大，B、D正确．] 1．(对失重、超重的理解)下列说法中正确的是(　　) A．超重时物体所受的重力不变 B．生活小区电梯启动瞬时，电梯中的人就处于超重状态 C．超重就是物体所受的重力增加 D．飞机减速下降过程中，飞机中的乘客处于失重状态 A　[处于超重与失重状态的物体所受的重力不变，是因为具有竖直加速度导致视重变了，故A正确，C错误；电梯向上启动的瞬间加速度向上，人所受的支持力变大，则压力变大即视重变大，处于超重；反之电梯向下启动的瞬间处于失重，故B错误；飞机减速下降时加速度向上，则飞机里的人处于超重，故D错误．] 2．(对失重、超重的分析)如图所示，在教室里某同学在体重计上研究超重与失重．她由稳定的站姿变化到稳定的蹲姿称为“下蹲”过程；由稳定的蹲姿变化到稳定的站姿称为“起立”过程．关于她的实验现象，下列说法正确的是(　　) A．只有“起立”过程，才能出现失重的现象 B．只有“下蹲”过程，才能出现超重的现象 C．“下蹲”的过程，先出现超重现象后出现失重现象 D．“起立”“下蹲”的过程，都能出现超重和失重的现象 D　[“下蹲”过程中，人先向下做加速运动，后向下做减速运动，所以先处于失重状态后处于超重状态；“起立”过程中，先向上做加速运动，后向上做减速运动，最后回到静止状态，人先处于超重状态后处于失重状态．] 3．(对失重、超重的分析)如图所示，将物体A放在容器B中，以某一速度把容器B竖直上抛，不计空气阻力，运动过程中容器B与地面始终保持水平，下列说法正确的是(　　) A．在上升和下降过程中A对B的压力都一定为零 B．上升过程中A对B的压力大于物体A受到的重力 C．下降过程中A对B的压力大于物体A受到的重力 D．在上升和下降过程中A对B的压力都等于物体A受到的重力 A　[因物体抛出后，不计空气阻力，只受重力，所以上升和下降过程中A和B的加速度都等于重力加速度，因A和B的加速度相同，在上升和下降过程中A对B的压力一定为零，A对，B、C、D错．] 4．(对失重、超重的计算)(多选)如图甲所示，竖直电梯中质量为m的物体置于压力传感器P上，电脑可描绘出物体对P的压力F随时间的变化图线；图乙中K、L、M、N四条图线是电梯在四种运动状态下由电脑获得的F­t图线，由图线分析电梯的运动情况，下列结论中正确的是(　　) 图甲　　　　　　　　　　图乙 A．由图线K可知，此时电梯一定处于匀加速上升状态 B．由图线L可知，此时电梯的加速度大小一定等于g C．由图线M可知，此时电梯一定处于静止状态 D．由图线N可知，此时电梯加速度的方向一定先向上后向下 BD　[由图线K可知，物体对P的压力大于物体的重力，且逐渐增大，则支持力大于重力，且逐渐增大，根据牛顿第二定律知，加速度方向竖直向上，且逐渐增大，电梯加速度方向竖直向上，且在变化，故A错误；由图线L可知，支持力的大小等于2mg，根据牛顿第二定律得，F－mg＝ma，解得a＝g，方向竖直向上，故B正确；由图线M可知，支持力等于重力，知电梯可能处于静止，可能处于匀速直线运动状态，故C错误；由图线N可知，支持力的大小先大于mg再小于mg，根据牛顿第二定律知，加速度的方向先向上，再向下，故D正确．] 学科网（北京）股份有限公司 $$