2020-2021学年6 超重和失重学案设计

6.超重和失重

知识纲要导引,

核心素养目标,

基 础 导 学

一、重力的测量(自学教材第105页“重力的测量”部分)

　方法一：先测量物体做自由落体运动的加速度g，再用天平测量物体的质量，利用牛顿第二定律可得：G＝mg.

　方法二：利用力的平衡条件对重力进行测量．将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于静止状态．这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小相等，测力计的示数反映了物体所受的重力大小．

二、超重和失重(自学教材第105、106页“超重和失重”部分)

1．失重

(1)定义：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，叫作失重(weightlessness)现象．

(2)产生条件：物体具有竖直向下的加速度．

2．超重

(1)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，叫作超重(overweight)现象．

(2)产生条件：物体具有竖直向上的加速度．

3．完全失重

(1)定义：物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力，这种现象被叫作完全失重状态．

(2)产生条件：加速度a＝g，方向竖直向下．

【思考】

(1)物体向上运动时一定处于超重状态．(　　)

(2)物体减速向下运动时处于失重状态．(　　)

(3)物体处于失重状态时重力减小了．(　　)

(4)超重就是物体的重力变大的现象．(　　)

(5)减速上升的升降机内的物体对地板的压力小于重力．(　　)

(6)做自由落体运动的物体处于完全失重状态．(　　)

答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√

【教材解疑】(第106、107页)

[思考与讨论]

人站在力传感器上完成下蹲动作．观察计算机采集的图线．图1呈现的是某人下蹲过程中力传感器的示数随时间变化的情况．

很明显，图线直观地描绘了人在下蹲过程中力传感器的示数先变小，后变大，再变小，最后保持某一数值不变的全过程．

如图2，图线显示的是某人站在力传感器上，先“下蹲”后“站起”过程中力传感器的示数随时间的变化情况．

请你分析力传感器上的人“站起”过程中超重和失重的情况．

问题解答：人“站起”过程中，先是加速上升超重，到达一个最大速度后再减速上升失重，所以人“站起”过程先超重再失重．

[做一做]

在电梯地板上放一台体重计．站在体重计上，观察电梯启动、制动和运行过程中体重计示数的变化．

问题解答：设电梯向上运行，电梯启动过程体重计的示数变大且大于重力，人处于超重状态；电梯在制动过程中体重计的示数减小且小于重力，人处于失重状态；电梯在运行过程中体重计的示数不变且等于重力，人既不失重也不超重.

课 堂 探 究

主题一　对超重与失重的理解

1．重力与视重

(1)重力：是地面附近的物体由于地球的吸引而受到的力．物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化．

(2)视重：当物体竖直悬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．超重和失重的实质

(1)超重时，物体所受支持力(或拉力)与重力的合力方向向上，测力计的示数大于物体的重力．

(2)失重时，物体所受支持力(或拉力)与物体重力的合力方向向下，测力计的示数小于物体的重力．

(1)超重与失重不是物体本身重力变了，而是“视重”变化了．

(2)超重或失重都属于一种现象，是“力”的视觉体现.

空间站中的宇航员处于完全失重状态

3.超重、失重常对应的物体运动状态

(1)超重对应的运动状态：向上加速运动，向下减速运动．

(2)失重对应的运动状态：向上减速运动，向下加速运动．

4．对完全失重的解释

当物体具有向下的加速度g时，设支持物对物体的支持力(或悬挂物对物体的拉力)为F.由牛顿第二定律有：mg－F＝mg可得F＝0.完全失重现象是失重现象的极限.

,特别提醒,

完全失重状态下，一切由重力产生的物理现象都将完全消失．如：

气压计不能使用——因为液柱不再产生向下的压力

天平不能测质量——天平在任何条件下都平衡．

(1)下蹲过程：静止→向下加速→向下减速→静止．

(2)起立过程：静止→向上加速→向上减速→静止．

【典例示范】

例1　如图是某同学站在压力传感器上做下蹲—起立的动作时传感器记录的压力随时间变化的图线，纵坐标为压力，横坐标为时间．由图线可知，该同学的体重约为650 N，除此以外，还可以得到以下信息(　　)

A．1 s时人处在下蹲的最低点　　　　　　　　　　　

B．2 s时人处于下蹲静止状态

C．该同学做了2次下蹲—起立的动作 

D．下蹲过程中人始终处于失重状态

解析：可通过以下表格对各选项逐一分析.

答案：B

,方法技巧,

判断超、失重有“三看”

一看“力”：物体受竖直向上的拉力(或支持力)大于重力时，处于超重状态；小于重力时，处于失重状态．

二看“加速度”：物体具有向上的加速度时，处于超重状态；具有向下的加速度时，处于失重状态；向下的加速度为重力加速度时，处于完全失重状态．

三看“速度”：物体向上加速或向下减速时，处于超重状态；物体向下加速或向上减速时，处于失重状态．,

训练1　(多选)如图所示，小敏正在做双脚跳台阶的健身运动．若忽略空气阻力，小敏起跳后，下列说法正确的是(　　)

A．上升过程处于超重状态  B．下降过程处于超重状态

C．上升过程处于失重状态  D．下降过程处于失重状态

解析：若忽略空气阻力，小敏起跳后，在空中运动的过程中只受重力，加速度就是重力加速度，则小敏起跳后，上升过程与下降过程均处于失重状态，故C、D两项正确．

答案：CD

主题二　定量分析超重、失重问题

　超重、失重现象原因的定量分析

,

超重和失重现象与物体的速度方向和大小无关，只取决于物体加速度的方向．

【典例示范】

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；

(3)升降机以3 m/s2的加速度匀减速上升或匀加速下降．

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a＝0，所以有FN－mg＝0，即FN＝mg＝600 N

根据牛顿第三定律知FN′＝FN＝600 N.

(2)升降机匀加速上升时，加速度方向向上，人处于超重状态，取向上为正方向，则有FN1－mg＝ma1

所以FN1＝m(g＋a1)＝60×(10＋4) N＝840 N

根据牛顿第三定律知FN′1＝FN1＝840 N.

(3)升降机匀减速上升或匀加速下降时，加速度方向都向下，人都处于失重状态，取向下为正方向，则有mg－FN2＝ma2

所以FN2＝m(g－a2)＝60×(10－3) N＝420 N

根据牛顿第三定律知FN′2＝FN2＝420 N.

答案：(1)600 N　(2)840 N　(3)420 N

思路：

(1)应根据加速度方向判断物体处于超重状态还是失重状态；

(2)选加速度方向为正方向；

(3)分析物体的受力情况；

(4)利用牛顿第二定律进行求解．

关键：确定物体加速度的大小和方向．

训练2　如图所示，用绳子将质量为2  kg的盘式弹簧秤吊起，使秤盘保持水平．在秤盘上放上质量为0.5  kg的砝码之后，使整个秤竖直向上运动，此时秤的指针示数为0.55  kg，不计空气阻力．(g取10 m/s2)求：

(1)盘式弹簧秤运动加速度的方向．

(2)盘式弹簧秤运动加速度的大小．

(3)绳子对盘式弹簧秤的拉力．

解析：(1)秤的指针示数为0.55  kg，大于砝码的质量，所以砝码受到的支持力大于其重力，砝码处于超重状态，可知加速度的方向向上．

(2)由牛顿第二定律：FN－mg＝ma，所以a＝＝ m/s2＝1 m/s2

(3)以弹簧秤与砝码组成的整体为研究对象，则：FT－(m＋M)g＝(m＋M)a

代入数据得：FT＝27.5 N，方向竖直向上．

答案：(1)盘式弹簧秤运动加速度的方向向上　(2)1 m/s2　(3)27.5 N，方向竖直向上

课 堂 达 标

1．[2019·湖南六校联盟高一联考]里约奥运会男子跳高决赛的比赛中，加拿大选手德劳因突出重围，以2米38的成绩夺冠(如图所示)．则(　　)

A．德劳因在最高点处于平衡状态

B．德劳因起跳以后在上升过程处于失重状态

C．德劳因起跳时地面对他的支持力等于他所受的重力

D．德劳因下降过程处于超重状态

解析：无论是上升过程还是下降过程，还是最高点，运动员的加速度始终向下，所以他处于失重状态，故A、D错误，B正确；起跳时运动员加速度的方向向上，地面对他的支持力大于他受到的重力，故C错误．故选B.

答案：B

2．在一个封闭装置中，用弹簧测力计测一物体的重力，根据读数与物体实际重力之间的关系，判断以下说法中正确的是(　　)

A．读数偏大，表明装置一定加速上升

B．读数偏小，表明装置一定加速下降

C．读数为0，表明装置运动的加速度等于重力加速度，但无法判断是向上运动还是向下运动

D．读数准确，表明装置一定匀速上升或下降

解析：读数偏大，表明装置处于超重状态，其加速度方向向上，可能的运动情况是加速上升或减速下降，故A项错误，同理知B项也错误．弹簧测力计读数为0，即完全失重，这表明整个装置运动的加速度等于重力加速度g，但是a＝g时，速度方向有可能向上，也有可能向下，还有可能沿其他方向，故C项正确．读数准确，装置可能静止，也可能正在向任意一个方向做匀速直线运动，故D项错误．

答案：C

3．2016年10月17日，“神舟十一号”载人飞船发射成功，如图所示．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，宇航员处于超重状态

B．飞船落地前减速下落时，宇航员处于失重状态

C．火箭加速上升时，宇航员对座椅的压力小于自身重力

D．火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，宇航员处于失重状态

解析：火箭加速上升时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，对座椅的压力大于自身重力，选项A正确、C错误；飞船落地前减速下落时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，选项B错误；火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，加速度

方向向上，宇航员处于超重状态，选项D错误．

答案：A

4．[2019·福州高一检测]在升降电梯内的地板上放一体重计，电梯静止时，晓敏同学站在体重计上，体重计示数为30  kg，电梯运动过程中，某一段时间内，晓敏同学发现体重计示数如图所示．在这段时间内下列说法中正确的是(　　)

A．晓敏同学所受的重力变大了

B．电梯可能在竖直向下运动

C．晓敏对体重计的压力大于体重计对晓敏的支持力

D．电梯的加速度大小为g，方向竖直向下

解析：可通过以下表格对各选项逐一分析.

答案：B

5．(多选)如图所示，电梯的顶部挂一个弹簧秤，秤下端挂了一个重物，电梯匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6 N，关于电梯的运动，以下说法正确的是(g取10 m/s2)(　　)

A．电梯可能向上加速运动，加速度大小为4 m/s2

B．电梯可能向下加速运动，加速度大小为4 m/s2

C．电梯可能向上减速运动，加速度大小为4 m/s2

D．电梯可能向下减速运动，加速度大小为4 m/s2

解析：电梯做匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10 N，可知重物的重力等于10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6 N，对重物，根据牛顿第二定律有mg－F＝ma，解得a＝4 m/s2，方向竖直向下，则电梯的加速度大小为4 m/s2，方向竖直向下，因此电梯可能向下做加速运动，也可能向上做减速运动，选项B、C正确．

答案：BC