教科版高中物理必修第一册第四章牛顿运动定律导学案+课件

7.超重与失重

必备知识·自主学习——突出基础性　素养夯基

一、用弹簧测力计测重力

物体对弹簧测力计的拉力T的大小决定了弹簧测力计的示数，它和弹簧测力计对物体的拉力T′是一对________________，即T和T′大小相等．由牛顿第二定律可知，只有物体在竖直方向上________________，弹簧测力计的示数才等于物体所受的重力．

二、超重与失重现象

1．超重现象

(1)定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)________物体所受重力的现象．

(2)产生条件：物体具有________的加速度．

2．失重现象

(1)定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)________物体所受重力的现象．

(2)产生条件：物体具有________的加速度．

3．完全失重现象

(1)定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)等于零的现象．

(2)产生条件：a＝g，方向________．

[导学]　实重与视重

(1)实重：物体实际所受的重力，物体所受的重力不会因物体运动状态的变化而变化．(2)视重：当物体挂在弹簧测力计下或放在水平体重计上时，弹簧测力计或体重计的示数称为“视重”．大小等于弹簧测力计的拉力或体重计所受的压力．(3)超重与失重不是物体本身重力变了，而是“视重”变化了．(4)超重或失重都属于一种现象，是“力”的视觉体现．

[举例]　“神舟十号”航天员王亚平太空授课，飞船内的物体处于完全失重状态．

关键能力·合作探究——突出综合性　素养形成

探究点　超重和失重的理解与分析

【导学探究】

站在体重计上向下蹲，你会发现，在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小．当人静止后，体重计的示数保持某一值不变，这是为什么？

(1)如图所示，体重计的示数称为视重，试用牛顿第二定律分析视重为什么会这样变化？

(2)视重小于人的重力叫失重，视重大于人的重力叫超重．试分析人在体重计上站起过程中的超重和失重情况．

(3)站在电梯里的体重计上，感受电梯启动、匀速运行和制动过程中的超重和失重现象并总结．如果电梯自由下落，人会有什么感觉？

【归纳总结】

1.超重、失重现象的分析

2.对超重和失重的理解

(1)超重与失重现象仅仅是一种表象，无论是超重还是失重，物体所受的重力都没有变化．

(2)物体处于超重还是失重状态，只取决于加速度的方向，与物体的运动方向无关．

(3)加速度的大小决定了超重或失重的程度．视重相对重力的改变量为ma，a为物体竖直方向的加速度．

(4)完全失重是失重现象的极限．完全失重时，与重力有关的一切现象都将消失．

(5)若物体不在竖直方向运动，而加速度在竖直方向有分量，即ay≠0，则当ay竖直向上时物体处于超重状态，当ay竖直向下时物体处于失重状态．

【典例示范】

题型1　对超重、失重的理解

例1 关于超重和失重，下列说法中正确的是(　　)

A．超重就是物体受的重力增加了

B．失重就是物体受的重力减小了

C．完全失重就是物体一点重力都不受了

D．不论超重还是失重，物体所受重力是不变的

题型2　对超重、失重的判断

例2 如图所示，甲图是某人站在力传感器上做下蹲—起跳动作的示意图，甲图中的“●”表示人的重心，乙图是根据力传感器画出的压力F随时间t变化的图线．乙图中a、d、f、g各点数据分别与甲图中人的a、d、f、g状态相对应，其余点对应状态没有在甲图中画出．乙图中a、c、e、i点对应的纵坐标均为600 N.根据这两个图所给出的信息，下列说法中正确的是(　　)

A．人的重力为600 N   

B．乙图中b时刻，人处于超重状态

C．乙图中d时刻，人处于失重状态   

D．乙图中i点时刻，人的重心的速度为零

【思维方法】

判断超重、失重的方法

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．

题型3　利用超重、失重来判断物体的运动状态

例3 重力为600 N的人站在电梯内的压力传感器上，压力传感器的示数为575 N，可能的原因是(　　)

A．电梯匀速上升     B．电梯匀加速上升

C．电梯匀速下降     D．电梯匀加速下降

题型4　有关超重与失重的计算

例4 一质量m＝ 40 kg的小孩站在电梯内的体重计上．电梯从t＝0时刻由静止开始上升，经计算，在0～6 s内该小孩所受支持力F的变化如图所示．试求在这段时间内电梯上升的高度．(重力加速度g取10 m/s2)

【思维方法】

应用牛顿第二定律解决超重和失重的方法

素养训练1　如图所示，在一个盛水的容器底部有一小孔．静止时用手指堵住小孔不让它漏水，假设容器在下述几种运动过程中始终保持平动，且忽略空气阻力，以下所有选项中均只考虑容器离开手之后在空中运动的过程，则（　　）

A．容器自由下落时，小孔向下漏水

B．将容器斜向上抛出，容器在空中运动时小孔不漏水

C．将容器水平抛出，容器在空中运动时小孔向下漏水

D．将容器竖直向上抛出，容器向上运动时，小孔向下漏水；容器向下运动时，小孔不漏水

素养训练2　

（多选）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

随堂演练·自主检测——突出创新性　素养达标

1.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

2.在某届学校秋季运动会上，张明同学以背越式成功地跳过了1.70米的高度，如图．若忽略空气阻力，g取10 m/s2.则下列说法正确的是（　　）

A．张明下降过程中处于失重状态

B．张明起跳以后在上升过程中处于超重状态

C．张明起跳时地面对他的支持力等于他的重力

D．张明起跳以后在下降过程中重力消失了

3.

如图所示，在升降电梯的地板上放一体重计，电梯静止时，某同学站在体重计上，体重计示数为50.0 kg.若电梯运行中的某一段时间内，该同学发现体重计示数变为40.0 kg，则在这段时间内（重力加速度为g）（　　）

A．该同学所受的重力变小了

B．电梯一定在竖直向下运动

C．该同学对体重计的压力小于体重计对她的支持力

D．电梯的加速度大小为0.2g，方向一定竖直向下

4.某研究性学习小组为探究电梯启动和制动时的超、失重现象，利用电梯和体重计进行观测．某同学站在体重计上乘电梯从1层到10层，之后又从10层返回到1层，并用照相机进行记录，请认真观察分析下列图片，得出的判断正确的是（　　）

A．根据图2和图3，可估测电梯向上启动时的加速度

B．根据图1和图2，可估测电梯向上制动时的速度

C．根据图1和图5，可估测电梯向下制动时的加速度

D．根据图4和图5，可估测电梯向下启动时的加速度

5.若货物随升降机运动的v ­ t图像如图所示（竖直向上为正），则货物受到升降机的支持力F与时间t关系的图像可能是（　　）

7．超重与失重

必备知识·自主学习

一、

1．作用力与反作用力　加速度等于零

二、

1．(1)大于　(2)竖直向上

2．(1)小于　(2)竖直向下

3．(2)竖直向下

关键能力·合作探究

探究点　

【导学探究】

提示：(1)体重计的示数反映了人对体重计的压力，根据牛顿第三定律，人对体重计的压力与体重计对人的支持力N大小相等，方向相反．人在下蹲时受到重力G和体重计的支持力N，这两个力的共同作用使人在下蹲的过程中，先后经历加速、减速和静止三个阶段．以向下为正方向，由牛顿第二定律对这三个过程分别列式：

mg－N1＝ma1，mg-N2＝-ma2，mg-N3＝0，解得＝N2＝m＞mg，N3＝mg.

(2)人站起的过程中，先加速后减速．以向上为正方向，由牛顿第二定律，有－mg＝－mg＝－ma2，解得＝＝m(g－a2)＜mg，即人开始超重，后来失重．

(3)电梯匀速运行时，人既不超重也不失重；电梯向上加速启动时人超重，电梯向上减速制动时人失重；电梯向下加速启动时人失重，电梯向下减速制动时人超重．如果电梯自由下落，人只受重力作用，不受电梯的支持力，体重计示数为0，人将感觉不到重力．

【典例示范】

例1　解析：超重(失重)是指物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力大于(小于)物体的重力，而物体的重力并没有变化，完全失重是压力或拉力变为零，故A、B、C错，D对．

答案：D

例2　解析：由图及题意可知a时刻时，人受到的重力与支持力相等，为600 N，A正确；由图可知b时刻时人对传感器的压力小于重力，处于失重状态，故B错误；由图可知d时刻时人对传感器的压力大于重力，处于超重状态，故C错误；根据图像可知，i时刻时人的重心处于下落过程中，此时重力与支持力相等，由于重心在下落过程中先做加速度减小的加速运动，再做减速运动，重力等于支持力时速度最大，故此时人的重心的速度最大，故D错误．

答案：A

例3　解析：压力传感器的示数小于人重力的大小，则压力传感器对人的支持力大小小于人的重力大小，人处于失重状态，加速度方向向下，故电梯可能加速下降或减速上升，D正确．

答案：D

例4　解析：由F － t图像可知，在0～2 s内小孩受到的支持力F1＝440 N，而小孩受到的重力mg＝400 N，所以电梯和小孩由静止开始向上做匀加速直线运动，对小孩进行受力分析，由牛顿第二定律得F1－mg＝ma1，电梯在匀加速阶段上升的高度h1＝，代入数据解得a1＝1  m/s2，h1＝2 m．在2～5 s内，小孩受到的支持力F2＝400 N＝mg，所以电梯和小孩向上做匀速直线运动，匀速运动的速度v1＝a1t1＝2 m/s，电梯在匀速阶段上升的高度h2＝v1t2＝6 m．在5～6 s内，小孩受到的支持力F3＝320 N＜mg，所以电梯和小孩向上做匀减速直线运动，由牛顿第二定律得mg－F3＝ma2，电梯在匀减速阶段上升的高度h3＝，解得a2＝2 m/s2，h3＝1 m．故在0～6 s内电梯上升的总高度h＝hl＋h2＋h3＝9 m.

答案：9 m

素养训练1　解析：无论将容器向哪个方向抛出，抛出之后的容器都只受重力的作用，加速度为重力加速度，处于完全失重状态，水和容器的运动状态相同，它们之间没有相互作用，水不会流出，B正确．

答案：B

素养训练2　解析：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N－Mg＝Ma，解得N＝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．

答案：BC

随堂演练·自主检测

1．解析：A对，C错：处于超重与失重状态的物体所受的重力不变，是因为竖直方向具有加速度导致视重发生改变．B错：电梯向上启动的瞬间加速度方向向上，人所受的支持力变大，则压力变大即视重变大，处于超重状态；反之电梯向下启动的瞬间处于失重状态．D错：飞机减速下降时加速度方向向上，则飞机里的乘客处于超重状态．

答案：A

2．解析：在张明下降过程中，只受重力的作用，有向下的重力加速度，是处于完全失重状态，A正确；张明起跳以后在上升过程，也是只受重力的作用，有向下的重力加速度，是处于完全失重状态，B错误；在张明起跳过程中，地面要给人一个向上的支持力，支持力的大小大于人的重力的大小，人才能够有向上的加速度起跳，向上运动，C错误；起跳以后在下降过程中，重力不变，D错误．

答案：A

3．解析：N＜mg，该同学处于失重状态，但不能判定她的运动方向，在发生超重、失重时，重力不变，作用力与反作用力大小始终相等．故选项D正确．

答案：D

4．解析：题图1显示同学实际的体重，题图2显示向上加速超重时的示数，题图3显示向上减速失重时的示数，题图4显示向下加速失重时的示数，题图5显示向下减速超重时的示数，综合图片可知，题图1和题图3或题图5可估测电梯制动时的加速度，题图1和题图2或题图4可估测电梯启动时的加速度，故C正确．

答案：C

5．解析：由v ­ t图像可知，升降机的运动过程为：向下加速(失重：F<mg)→向下匀速(F＝mg)→向下减速(超重：F>mg)→向上加速(超重：F>mg)→向上匀速(F＝mg)→向上减速(失重：F<mg)，对照F­t图像可知，B正确．

答案：B