高中物理第5章 牛顿运动定律第5节 超重与失重多媒体教学ppt课件

第5节　超重与失重

[核心素养·明目标]

知识点一　超重现象

1．定义：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。

2．产生条件：物体具有竖直向上的加速度，与物体的速度大小和方向无关。

3．运动类型：超重物体做向上的加速运动或向下的减速运动。

　判断物体是否处于超重状态，只看加速度方向是否竖直向上，不看其速度方向。

1：思考辨析(正确的画√，错误的打×)

(1)物体处于超重状态时，可能向下运动。 (√)

(2)物体处于超重状态时，是指物体的重力增大了。 (×)

知识点二　失重现象

1．定义：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。

2．产生条件：物体具有竖直向下的加速度。

3．运动类型：失重物体做向上的减速运动或向下的加速运动。

4．完全失重

(1)定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)等于零的状态。

(2)产生条件：物体竖直向下的加速度等于重力加速度。

(3)所有的抛体运动，在不计阻力的情况下，都处于完全失重状态。

　太空中宇宙飞船里的宇航员，好像都有超能力，都能飘浮在空中，这是为什么？

提示：宇航员处于完全失重状态。

2：思考辨析(正确的画√，错误的打×)

(1)物体处于失重状态时，物体的重力没有变化。 (√)

(2)处于完全失重状态的物体不受重力作用。 (×)

(3)做自由落体的物体处于完全失重状态。  (√)

考点1　超重现象

超重和失重在生活中经常遇到。比如处于直升梯内台秤上的物体，小明同学观察到台秤的示数的变化。

(1)台秤称量“重力”大于物体的实际重力，你能说明此时加速度的方向吗？

(2)台秤称量“重力”大于物体实际重力时，你能确定直升梯的运动方向吗？

提示：1物体处于超重状态，加速度方向向上。

2不能，运动方向可能向上也可能向下。

1．实重与视重

(1)实重：物体实际所受重力。物体所受重力不会因为物体运动状态的改变而变化。

(2)视重：用弹簧测力计或台秤来测量物体重力时，弹簧测力计或台秤的示数称为物体的视重。当物体与弹簧测力计保持静止或者匀速运动时，视重等于实重；当存在竖直方向的加速度时，视重不再等于实重。

2．超重现象

(1)超重现象：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。

(2)产生超重的原因：当物体具有竖直向上的加速度a时，支持物对物体的支持力(或悬绳的拉力)为F。由牛顿第二定律可得：F－mg＝ma．所以F＝m(g＋a)>mg。由牛顿第三定律知，物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)F′>mg。

(3)超重的动力学特点：

超重加速度方向向上(或有向上的分量)。

【典例1】　一个站在升降机上的人，用弹簧测力计提着一个质量为1 kg的鱼，弹簧测力计的读数为12 N，该人的体重为750 N，则他对升降机地板的压力为(g取10 m/s2)(　　)

A．750 N　　　B．762 N　　　C．900 N　　　D．912 N

思路点拨：升降机、人、鱼的加速度相同，由鱼可分析得到人的运动情况。另外，人对地板的压力须考虑他手中所提的鱼。

D　[1 kg的鱼的重力为10 N，而弹簧测力计的拉力为12 N，可知鱼所受的合力F鱼＝(12－10) N＝2 N，由牛顿第二定律可知此时鱼的加速度为2 m/s2，方向向上，这也表明升降机及升降机中的人也正在做加速度向上的运动，将人和鱼看作一个整体，可得N－(M＋m)g＝(M＋m)a，N为地板对人向上的作用力，而人对地板的反作用力与N相等，方向向下，计算可得N＝912 N，故选D。]

理解超重现象的两点技巧

(1)物体处于超重状态时，实重(即所受重力)并不变，只是视重变了，视重比实重增加了ma。

(2)决定物体超重的因素是物体具有向上的加速度，与速度无关，即物体可以向上加速运动，也可以向下减速运动。

1．(多选)(2020·广东湛江高一上期末)如图所示，轻质弹簧的上端固定在电梯的天花板上，弹簧下端悬挂一个小球，电梯中有质量为50 kg的乘客，在电梯运行时乘客发现轻质弹簧的伸长量始终是电梯静止时伸长量的五分之六，已知重力加速度g＝10 m/s2，由此可判断(　　)

A．乘客处于失重状态  

B．电梯可能减速下降，加速度大小为2 m/s2

C．电梯可能加速上升，加速度大小为2 m/s2

D．乘客对电梯地板的压力为625 N

BC　[电梯静止不动时，小球受力平衡，有mg＝kx，电梯运行时弹簧的伸长量比电梯静止时大，说明弹力变大了，根据牛顿第二定律，有kx－mg＝ma，解得a＝2 m/s2，方向竖直向上，电梯可能加速上升或减速下降，乘客处于超重状态，故B、C符合题意，A不符合题意；以乘客为研究对象，根据牛顿第二定律可得FN－Mg＝Ma，解得FN＝600 N，由牛顿第三定律可知乘客对电梯地板的压力大小为600 N，故D不符合题意。]

考点2　失重现象

“蹦极”是一项非常刺激的运动。如图所示，某人身系弹性绳自高空P点自由下落，图中a点是弹性绳的原长位置，c是人所到达的最低点，b是人静止地悬吊着时的平衡位置，不计空气阻力，人在从P点落下到最低点c的过程中。

(1)人在Pa段，ab段，bc段的受力情况；

(2)人在Pa段，ab段，bc段的超重、失重情况。

提示：(1)人在Pa段只受重力；ab段人受重力和弹力，重力大于弹力；bc段人受重力和弹力，弹力大于重力。

(2)人在Pa段是完全失重状态；在ab段加速度向下是失重状态；在bc段合力向上加速度向上是超重状态。

1．对失重现象的理解

(1)从力的角度看：失重时物体受到的竖直悬绳(或测力计)的拉力或水平支撑面(或台秤)的支持力小于重力，好像重力变小了，正是由于这样，把这种现象定义为“失重”。

(2)从加速度的角度看：根据牛顿第二定律，处于失重状态的物体的加速度方向向下(a≤g，如图所示)，这是物体失重的条件，也是判断物体失重与否的依据。

2．对完全失重的理解

物体处于完全失重状态(a＝g)时，重力全部产生加速度，不再产生压力(如图所示)，平常一切由重力产生的物理现象都会完全消失，如天平失效、浸在水中的物体不再受浮力、液体柱不再产生压强等。

【典例2】　质量为60 kg的人站在升降机中的体重计上，如图所示，当升降机做下列各种运动时，体重计的读数分别为多少？(g取10 m/s2)

(1)升降机匀速上升；

(2)升降机以3 m/s2的加速度匀加速下降。

思路点拨：①体重计读数对应人对其压力大小。

②可用转换对象法对人受力分析。

[解析]　以人为研究对象进行受力分析，人受重力和支持力作用。

(1)升降机匀速上升时，加速度a1＝0，所以有N1－mg＝0

即N1＝mg＝600 N

由牛顿第三定律知，体重计的读数为600 N。

(2)升降机匀加速下降时，加速度向下，人处于失重状态，取向下为正方向，

则有mg－N2＝ma2

所以N2＝m(g－a2)＝60×(10－3) N＝420 N

由牛顿第三定律知，体重计的读数为420 N。

[答案]　(1)600 N　(2)420 N

[母题变式]

在上题中若升降机以5 m/s2的加速度减速下降呢？

[解析]　升降机和人都下降，即速度方向向下，减速则说明加速度向上，是超重状态。

则有：N－mg＝ma

所以N＝mg＋ma＝900 N

由牛顿第三定律知，体重计读数为900 N。

[答案]　900 N

超重、失重问题的处理方法

(1)用牛顿第二定律列方程分析。以加速度的方向为正方向列牛顿第二定律方程，求出结果后，注意运用牛顿第三定律变换成所求的结论，也要注意区分加速度的方向和速度方向。

(2)处理连接体问题时，如测力计、台秤示数的变化问题，对于其中一个物体(或物体中的一部分)所处的运动状态的变化，而导致系统是否保持原来的平衡状态的判断问题，可以根据系统的重心发生的超重、失重现象进行分析判断。

2．(多选)(2020·山东实验中学高一上测试)如图所示，蹦床运动员从空中落到床面上，运动员从接触床面下降到最低点为第一过程，从最低点上升到离开床面为第二过程，运动员(　　)

A．在第一过程中始终处于失重状态

B．在第二过程中始终处于超重状态

C．在第一过程中先处于失重状态，后处于超重状态

D．在第二过程中先处于超重状态，后处于失重状态

CD　[运动员刚接触床面时所受重力大于弹力，运动员向下做加速运动，处于失重状态；随着床面的形变的增大，弹力逐渐增大，弹力大于重力时，运动员做减速运动，处于超重状态，故A错误，C正确；蹦床运动员在上升过程中和下落过程中是对称的，上升过程中加速度方向先向上后向下，运动员先处于超重状态，后处于失重状态，故B错误，D正确。]

1．下列关于超重与失重的判断，正确的是(　　)

A．物体做变速运动时，必处于超重或失重状态

B．物体向下运动时，必处于失重状态

C．做竖直上抛运动的物体，处于超重状态

D．物体斜向上做匀减速运动，处于失重状态

D　[判断物体是否处于超重或失重状态，就是看物体有没有竖直方向上的加速度。若物体的加速度向下，则处于失重状态。若物体的加速度向上，则处于超重状态。A、B两项均未指明加速度方向，无法判定是否发生超重和失重现象，A、B错误；D项物体的加速度斜向下，有竖直向下的分量，故处于失重状态，D正确；C项中a＝g，且加速度方向向下，故处于完全失重状态，C错误。]

2．下列说法正确的是(　　)

A．体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态

B．蹦床运动员在空中上升和下落过程中都处于失重状态

C．举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态

D．游泳运动员仰卧在水面静止不动时处于失重状态

B　[运动员是否超重或失重取决于加速度方向，A、C、D三个选项中，运动员均处于平衡状态，不超重也不失重，只有B正确。]

3．(多选)原来做匀速运动的升降机内，有一被拉长的弹簧拉住的具有一定质量的物体A静止在地板上，如图所示。现发现A突然被弹簧拉向右方，由此可判断，此时升降机的运动情况可能是 (　　)

A．加速上升　　　　　　 B．减速上升

C．加速下降   D．减速下降

BC　[升降机匀速运动时，物体静止在地板上，说明物体受到的静摩擦力与弹簧的拉力平衡，即弹簧的拉力不大于最大静摩擦力，物体突然被拉动，说明拉力要大于最大静摩擦力，物体被拉动前，弹簧弹力是不变的，所以最大静摩擦力变小，其原因是物体与地板间的正压力减小了，物体处于失重状态，故应有向下的加速度，B、C对，A、D错。]

4．(新情境题：以飞船发射升空过程为背景，考查超重问题)航天员景海鹏在酒泉卫星发射中心乘坐中国自行设计的“神舟十一号”飞船飞向太空。“神舟十一号”升空后120 s时，逃逸塔与火箭分离，此时飞船离地的高度为39 km。

问题：假设这一阶段飞船做匀加速直线运动，航天员的体重为63 kg，试计算该阶段航天员对座椅的压力。

[解析]　以航天员为研究对象，受重力和支持力。

s＝v0t＋at2

a＝2≈5.4 m/s2

由牛顿第二定律得：

F－mg＝ma

F＝ma＋mg

由牛顿第三定律得航天员对座椅的压力

F1＝F＝957.6 N。

[答案]　957.6 N

回归本节知识，自我完成以下问题：

1物体发生超重的条件是什么？

提示：物体具有竖直向上的加速度。

2物体发生失重现象的条件是什么？发生完全失重的条件又是什么？

提示：物体具有竖直向下的加速度时处于失重状态，当竖直向下的加速度a＝g时，处于完全失重状态。