第六节 失重和超重（导学案） 物理粤教版必修第一册

4.6 失重和超重 导学案 1. 理解超重和失重现象的本质，掌握产生超重和失重的条件；建立"视重"与"实重"的物理概念，认识加速度方向与重力加速度变化的关系。 2. 通过理论推导和实验验证，培养运用牛顿运动定律分析实际问题的能力；学会从具体现象中抽象出物理本质，建立物理模型。 3. 设计电梯运动实验，通过传感器测量数据，探究超重失重现象；培养观察、记录、分析实验现象的科学探究能力。 4. 激发对航天科技的兴趣，培养严谨求实的科学态度；认识超重失重知识在航空航天中的重要应用，增强科技兴国的责任感。 重点： 1. 超重和失重现象的产生条件及本质 2. 运用牛顿运动定律解释超重失重现象 。 难点： 1. 理解"视重"与"实重"的区别 2. 加速度方向与超重失重现象的对应关系 。 【知识回顾】 1. 牛顿第二定律：物体的加速度与它所受的 成正比，与它的质量成反比。表达式： 2. 一个质量为m的物体静止在水平桌面上，它受到的重力G = ，桌面对它的支持力FN = 。这两个力是一对 。 3. G=mg中的g是 ，其大小与物体所处的 有关，在地球表面附近一般取 。 【自主预习】 1. 物体的 （真实重力）是由地球吸引而产生的，大小G=mg，通常情况不变化。而 是指物体对支持物的 或对悬挂物的 ，其大小可以通过弹簧测力计或台秤来测量。 2. 当视重 实重时，这种现象称为超重。 3. 当视重 实重时，这种现象称为失重。 4. 当物体向下的加速度等于 时，物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力为零，这种现象称为 。 探究1：电梯中的“体重”变化 如下图所示，质量为m的人站在电梯内的体重计上，电梯运动过程中，观察体重计示数（即视重FN）的变化。试分析以下四种情况： (分析提示：先确定加速度方向，再根据牛顿第二定律列式推导FN与mg的大小关系) 情景 加速度方向 牛顿第二定律方程 FN与mg的关系 现象 1. 电梯匀速上升或下降 加速度为零 FN - mg = 0 FN = mg 正常 2. 电梯加速上升 竖直向上 FN - mg = ma FN > mg 超重 3. 电梯加速下降 竖直向下 mg - FN = ma FN < mg 失重 4. 电梯以a=g加速下降(自由落体) 竖直向下 mg - FN = mg FN = 0 完全失重 【结论1】 超重和失重现象的产生，取决于物体在竖直方向上的加速度方向，与物体的运动方向无关。 当加速度方向向上时，出现超重现象。 当加速度方向向下时，出现失重现象。 探究2：规律应用与解释 1. 一个质量为50kg的宇航员，在火箭发射初期（加速度竖直向上，大小约为5g），他感受到的“视重”约为多大？（g取10m/s²） 2. 请利用本节课所学的知识解释以下现象： 在游乐园玩“跳楼机”时，从最高点急速下降的瞬间，为什么会有心脏快要“跳出来”的感觉？ 为什么航天员在绕地球做匀速圆周运动的飞船中会漂浮起来？ 一、单选题 1．在阿塞拜疆巴库举行的2021年蹦床世锦赛中，中国选手严浪宇斩获男子网上个人金牌，曹云珠摘得女子网上个人银牌。蹦床模型如图所示，下列关于运动员的描述正确的是（　　） A．离网下降的过程中一直处于失重 B．离网上升的过程中一直处于超重 C．触网下降的过程中一直处于失重 D．触网上升的过程中一直处于超重 2．在2018年印尼雅加选亚运会上，中国撑杆跳运动员李玲获得撑杆跳金牌，图为她在比赛中的几个画面．下列说法中正确的是（  ） A．她在助跑过程中，一定做匀加速直线运动 B．她在上升过程中，处于失重状态 C．她在下落过程中，处于失重状态 D．她过最高点时的速度为零 3．如图，木箱内有一竖直放置的弹簧，弹簧上方有一物块；木箱静止，此时弹簧处于压缩状态且物块压在箱顶上。则（　　） A．弹簧的弹力大于物块重力 B．弹簧的弹力等于物块重力 C．物块处于超重状态 D．物块处于失重状态 4．如图所示，A、B两物体叠放在一起，以相同的初速度上抛（不计空气阻力），到回到出发点的过程中，下列说法正确的是（　　）    A．上升过程A、B处于超重状态，下降过程A、B处于失重状态 B．上升和下降过程A、B两物体均为完全失重 C．上升过程中A物体对B物体的压力大于A物体受到的重力 D．下降过程中A物体对B物体的压力大于A物体受到的重力 5．如图所示，甲中小球用轻绳系在轻支架上，轻支架固定在台秤的秤盘上；乙中小球用轻绳系在天花板上，已知，两小球全部浸没在水中，甲乙两图中除了小球系的位置不同，其他全部相同．设甲图未剪断轻绳时台秤示数为 ，剪断后小球在水中运动时台秤示数为 ，乙图未剪断轻绳时台秤示数为 ，剪断后小球在水中运动时台秤示数为 ，以下正确的是（    ） A． B． C．   D． 二、多选题 6．沼泽地的下面蕴藏着丰富的泥炭，泥炭的纤维状和海绵状的物理结构导致人在其上面行走时容易下陷（设在下陷过程中，泥炭对人的阻力不计）。如果整个下陷的过程是先加速运动再减速运动，那么，下列说法中正确的是（　　） A．在加速向下运动时，人对沼泽地的压力大于沼泽地对人的支持力 B．在减速向下运动时，沼泽地对人的支持力大于人的重力 C．在整个运动过程中，人先处于超重状态，后处于失重状态 D．在整个运动过程中，人对沼泽地的压力大小总是等于沼泽地对人的支持力 7．如图是我国“美男子”长征火箭把载人神舟飞船送上太空的情景，宇航员在火箭发射与飞船回收的过程中均要经受超重与失重的考验，下列说法正确的是（　　） A．火箭加速上升时，宇航员处于失重状态 B．飞船加速下落时，宇航员处于失重状态 C．飞船落地前减速，宇航员对座椅的压力大于其重力 D．火箭上升的加速度逐渐减小时，宇航员对座椅的压力小于其重力 8．游乐园中，游客乘坐能加速或减速运动的升降机，可以体会超重与失重的感觉．下列描述正确的是（   ） A．当升降机加速上升时，游客是处在失重状态 B．当升降机减速下降时，游客是处在超重状态 C．当升降机减速上升时，游客是处在失重状态 D．当升降机加速下降时，游客是处在超重状态 三、解答题 9．升降机以0.5m/s2的加速度匀减速上升，站在升降机里的人的质量是50kg，人对升降机地板的压力是多大？如果人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？ 10．如图所示，位于张家界武陵源风景名胜区的百龙天梯，修建于垂直的悬崖峭壁之上，垂直落差三百多米，是世界上最高的电梯之一（为方便计算，假设该电梯的高度为）。一名游客将一块电子秤（显示受到的压力大小，单位：N）放在电梯的水平地板上，自己站在电子秤上，通过电子秤的示数结合自己的体重去了解电梯运行时加减速的情况。已知电梯从地面静止开始，竖直向上匀加速运动，接着匀速运动，最后匀减速运动到达电梯的最高点，到达电梯的最高点时电梯速度刚好减为零；在匀减速阶段，电子秤的示数为“591”。电梯可看作质点，重力加速度取，求： （1）电梯运行过程中最大速度的大小； （2）该游客的质量； （3）匀加速阶段，电子秤的示数。 1. 通过本节课的学习，你能否清晰地阐述“超重”和“失重”的本质是什么？它们是由什么决定的？ 2. 在分析超重、失重问题时，你认为最关键的分析步骤是哪一步？你在哪个环节容易出错？ 3. 除了课堂上的例子，你还能举出两个生活中或科技应用中与超重、失重相关的实例吗？ 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.6 失重和超重 导学案 1. 理解超重和失重现象的本质，掌握产生超重和失重的条件；建立"视重"与"实重"的物理概念，认识加速度方向与重力加速度变化的关系。 2. 通过理论推导和实验验证，培养运用牛顿运动定律分析实际问题的能力；学会从具体现象中抽象出物理本质，建立物理模型。 3. 设计电梯运动实验，通过传感器测量数据，探究超重失重现象；培养观察、记录、分析实验现象的科学探究能力。 4. 激发对航天科技的兴趣，培养严谨求实的科学态度；认识超重失重知识在航空航天中的重要应用，增强科技兴国的责任感。 重点： 1. 超重和失重现象的产生条件及本质 2. 运用牛顿运动定律解释超重失重现象 。 难点： 1. 理解"视重"与"实重"的区别 2. 加速度方向与超重失重现象的对应关系 。 【知识回顾】 1. 牛顿第二定律：物体的加速度与它所受的合外力成正比，与它的质量成反比。表达式：F合=ma。 2. 一个质量为m的物体静止在水平桌面上，它受到的重力G = mg，桌面对它的支持力FN = mg。这两个力是一对平衡力。 3. G=mg中的g是重力加速度，其大小与物体所处的位置有关，在地球表面附近一般取 9.8 m/s²。 【自主预习】 1. 物体的实重（真实重力）是由地球吸引而产生的，大小G=mg，通常情况不变化。而视重是指物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力，其大小可以通过弹簧测力计或台秤来测量。 2. 当视重大于实重时，这种现象称为超重。 3. 当视重小于实重时，这种现象称为失重。 4. 当物体向下的加速度等于重力加速度g时，物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力为零，这种现象称为完全失重。 探究1：电梯中的“体重”变化 如下图所示，质量为m的人站在电梯内的体重计上，电梯运动过程中，观察体重计示数（即视重FN）的变化。试分析以下四种情况： (分析提示：先确定加速度方向，再根据牛顿第二定律列式推导FN与mg的大小关系) 情景 加速度方向 牛顿第二定律方程 FN与mg的关系 现象 1. 电梯匀速上升或下降 加速度为零 FN - mg = 0 FN = mg 正常 2. 电梯加速上升 竖直向上 FN - mg = ma FN > mg 超重 3. 电梯加速下降 竖直向下 mg - FN = ma FN < mg 失重 4. 电梯以a=g加速下降(自由落体) 竖直向下 mg - FN = mg FN = 0 完全失重 【结论1】 超重和失重现象的产生，取决于物体在竖直方向上的加速度方向，与物体的运动方向无关。 当加速度方向向上时，出现超重现象。 当加速度方向向下时，出现失重现象。 探究2：规律应用与解释 1. 一个质量为50kg的宇航员，在火箭发射初期（加速度竖直向上，大小约为5g），他感受到的“视重”约为多大？（g取10m/s²） 【分析解答】 加速度方向向上，处于超重状态。 FN - mg = ma FN = mg + ma = m(g + a) = 50 kg × (10 + 50) m/s² = 50 × 60 N = 3000 N （相当于承受了6个自身重力的压力） 2. 请利用本节课所学的知识解释以下现象： 在游乐园玩“跳楼机”时，从最高点急速下降的瞬间，为什么会有心脏快要“跳出来”的感觉？ 答：急速下降时，加速度方向竖直向下，人处于失重状态。体内器官同样处于失重状态，对胸腔、腹腔的压力减小，从而产生一种内脏上提、心悬空的不适感，类似心脏要“跳出来”。 为什么航天员在绕地球做匀速圆周运动的飞船中会漂浮起来？ 答：飞船绕地球做匀速圆周运动，其受到的万有引力全部用来提供向心加速度，即飞船及其内部所有物体都处于完全失重状态（a=g'，方向指向地心），故航天员对飞船的压力为零，呈现漂浮状态。 一、单选题 1．在阿塞拜疆巴库举行的2021年蹦床世锦赛中，中国选手严浪宇斩获男子网上个人金牌，曹云珠摘得女子网上个人银牌。蹦床模型如图所示，下列关于运动员的描述正确的是（　　） A．离网下降的过程中一直处于失重 B．离网上升的过程中一直处于超重 C．触网下降的过程中一直处于失重 D．触网上升的过程中一直处于超重 【答案】A 【详解】AB．离网运动阶段，运动员只受重力作用，具有竖直向下的加速度，处于失重状态。故A正确；B错误； CD．触网运动阶段，运动员受重力和弹力共同作用，由牛顿第二定律可知，其加速度方向与合力方向一致，即重力大于弹力阶段加速度竖直向下，重力小于弹力阶段加速度竖直向上。故CD错误。 故选A。 2．在2018年印尼雅加选亚运会上，中国撑杆跳运动员李玲获得撑杆跳金牌，图为她在比赛中的几个画面．下列说法中正确的是（  ） A．她在助跑过程中，一定做匀加速直线运动 B．她在上升过程中，处于失重状态 C．她在下落过程中，处于失重状态 D．她过最高点时的速度为零 【答案】C 【详解】她在助跑过程中，不一定做匀加速直线运动，选项A错误；她在上升过程中，先加速后减速，先超重后失重，选项B错误；她在下落过程中，加速度向下，处于失重状态，选项C正确； 她过最高点时的还有水平速度，则速度不为零，选项D错误；故选C. 3．如图，木箱内有一竖直放置的弹簧，弹簧上方有一物块；木箱静止，此时弹簧处于压缩状态且物块压在箱顶上。则（　　） A．弹簧的弹力大于物块重力 B．弹簧的弹力等于物块重力 C．物块处于超重状态 D．物块处于失重状态 【答案】A 【详解】AB．木箱静止时物块对箱顶有压力，则物块受到箱顶向下的压力、弹簧的弹力与物块的重力，即 A对B错； CD．分析超重与失重的产生原因可知：当有向上的加速度，物体对接触面的压力大于物体的真实重力时，物体处于超重状态；当物体有向下的加速度，对接触面的压力小于物体的真实重力时，物体处于失重状态。本题中物块没有加速度，所以不是超重、失重现象，CD错误。 故选A。 4．如图所示，A、B两物体叠放在一起，以相同的初速度上抛（不计空气阻力），到回到出发点的过程中，下列说法正确的是（　　）    A．上升过程A、B处于超重状态，下降过程A、B处于失重状态 B．上升和下降过程A、B两物体均为完全失重 C．上升过程中A物体对B物体的压力大于A物体受到的重力 D．下降过程中A物体对B物体的压力大于A物体受到的重力 【答案】B 【详解】AB．上升和下降过程A、B两物体均只受重力，处于完全失重状态，故A错误，B正确； CD．上升过程中和下降过程A物体对B物体的压力均为零，故CD错误。 故选B。 5．如图所示，甲中小球用轻绳系在轻支架上，轻支架固定在台秤的秤盘上；乙中小球用轻绳系在天花板上，已知，两小球全部浸没在水中，甲乙两图中除了小球系的位置不同，其他全部相同．设甲图未剪断轻绳时台秤示数为 ，剪断后小球在水中运动时台秤示数为 ，乙图未剪断轻绳时台秤示数为 ，剪断后小球在水中运动时台秤示数为 ，以下正确的是（    ） A． B． C．   D． 【答案】A 【详解】以容器和球组成的整体研究对象，将细线割断，在球下沉的过程中球加速下降，加速度方向向下，存在失重现象，而球下降留下的空位由水来填充，所以相当一个与球同样大小的水球向上加速运动，存在超重现象，由于同样体积的小球质量大于水球的质量，所以整体存在失重现象，台秤的示数小于系统总重力，台秤的示数减小，即 而 故 故选A。 二、多选题 6．沼泽地的下面蕴藏着丰富的泥炭，泥炭的纤维状和海绵状的物理结构导致人在其上面行走时容易下陷（设在下陷过程中，泥炭对人的阻力不计）。如果整个下陷的过程是先加速运动再减速运动，那么，下列说法中正确的是（　　） A．在加速向下运动时，人对沼泽地的压力大于沼泽地对人的支持力 B．在减速向下运动时，沼泽地对人的支持力大于人的重力 C．在整个运动过程中，人先处于超重状态，后处于失重状态 D．在整个运动过程中，人对沼泽地的压力大小总是等于沼泽地对人的支持力 【答案】BD 【详解】A．在加速向下运动时，加速度向下，所以重力大于沼泽地对人的支持力，但是人对沼泽地的压力和沼泽地对人的支持力属于相互作用力，相等，A错误。 B．在减速向下运动时，加速度向上，所以沼泽地对人的支持力大于人的重力，B正确。 C．在整个运动过程中，先加速运动再减速运动，所以加速度先向下再向上，所以先失重再超重，C错误。 D．在整个运动过程中，人对沼泽地的压力大小总是等于沼泽地对人的支持力，D正确。 故选BD。 7．如图是我国“美男子”长征火箭把载人神舟飞船送上太空的情景，宇航员在火箭发射与飞船回收的过程中均要经受超重与失重的考验，下列说法正确的是（　　） A．火箭加速上升时，宇航员处于失重状态 B．飞船加速下落时，宇航员处于失重状态 C．飞船落地前减速，宇航员对座椅的压力大于其重力 D．火箭上升的加速度逐渐减小时，宇航员对座椅的压力小于其重力 【答案】BC 【详解】火箭加速上升时，加速度向上，对宇航员有 即 所以宇航员处于超重状态，上升的加速度逐渐减小时，宇航员对座椅的压力大于重力，加速下落时，加速度向下，对宇航员有 即 所以宇航员处于失重状态，落地前减速，宇航员对座椅的压力大于其重力。 故选BC。 8．游乐园中，游客乘坐能加速或减速运动的升降机，可以体会超重与失重的感觉．下列描述正确的是（   ） A．当升降机加速上升时，游客是处在失重状态 B．当升降机减速下降时，游客是处在超重状态 C．当升降机减速上升时，游客是处在失重状态 D．当升降机加速下降时，游客是处在超重状态 【答案】BC 【详解】A．当升降机加速上升时，乘客有向上的加速度，是由重力与升降机对乘客支持力的合力产生的。此时升降机对乘客的支持力大于乘客的重力，所以处于超重状态，A错误。 B．当升降机减速下降时，具有向上的加速度，同理此时乘客也处于超重状态，B正确。 C．当升降机减速上升时，具有向下的加速度，是由重力与升降机对乘客支持力的合力产生的，所以升降机对乘客的支持力小于乘客的重力，此时失重，C正确。 D．当升降机加速下降时，也具有向下的加速度，同理可得此时处于失重状态，D错误。 故选BC。 三、解答题 9．升降机以0.5m/s2的加速度匀减速上升，站在升降机里的人的质量是50kg，人对升降机地板的压力是多大？如果人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？ 【答案】475N；475N 【详解】对人受力分析，受向下的重力和向上的支持力，则由牛顿第二定律可知 mg- FN=ma 解得 FN=mg-ma=475N 根据牛顿第三定律可知，人对升降机地板的压力是 FN＇=FN=475N 如果人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是475N。 10．如图所示，位于张家界武陵源风景名胜区的百龙天梯，修建于垂直的悬崖峭壁之上，垂直落差三百多米，是世界上最高的电梯之一（为方便计算，假设该电梯的高度为）。一名游客将一块电子秤（显示受到的压力大小，单位：N）放在电梯的水平地板上，自己站在电子秤上，通过电子秤的示数结合自己的体重去了解电梯运行时加减速的情况。已知电梯从地面静止开始，竖直向上匀加速运动，接着匀速运动，最后匀减速运动到达电梯的最高点，到达电梯的最高点时电梯速度刚好减为零；在匀减速阶段，电子秤的示数为“591”。电梯可看作质点，重力加速度取，求： （1）电梯运行过程中最大速度的大小； （2）该游客的质量； （3）匀加速阶段，电子秤的示数。 【答案】（1）；（2）；（3）618 【详解】（1）设电梯最大速度为，则有 解得 （2）减速阶段加速度大小为 根据牛顿第二定律有 由牛顿第三定律可知游客对电梯的压力与电梯对游客的支持力大小相等 解得 （3）加速阶段加速度大小为 根据牛顿第二定律有 由牛顿第三定律可知电梯对游客的支持力与游客对电梯的压力大小相等 解得 即匀加速阶段，电子秤的示数为“618”。 1. 通过本节课的学习，你能否清晰地阐述“超重”和“失重”的本质是什么？它们是由什么决定的？ （答案要点：本质是物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力（视重）发生变化。由物体在竖直方向上的加速度方向决定，与运动方向无关。） 2. 在分析超重、失重问题时，你认为最关键的分析步骤是哪一步？你在哪个环节容易出错？ （答案要点：最关键的一步是正确分析出物体在竖直方向上的加速度方向。容易出错的地方可能是混淆加速度方向与速度方向，或者在运用牛顿第二定律列方程时正负号处理不当。） 3. 除了课堂上的例子，你还能举出两个生活中或科技应用中与超重、失重相关的实例吗？ （示例：1. 瓶底开小孔的装满水的瓶子自由下落时，水不会流出——完全失重。2. 飞机在拉起时，飞行员感到被压在座椅上——超重。3. 矿井提升机加速上升时，矿工感觉脚底压力变大——超重。） 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $