46.超重和失重高一元創(chuàng)物理提前學強基礎

6超重和失重核心目標1.認識超重和失重現(xiàn)象，能發(fā)現(xiàn)、分析超重和失重現(xiàn)象產生的條件及發(fā)生的原因，理解超重和失重現(xiàn)象的本質。2.了解超重和失重現(xiàn)象在各個領域中的應用，能解釋生活中的超重和失重現(xiàn)象?！鹃喿x+理解】提前學知識要點問題站在體重計上向下蹲，你會發(fā)現(xiàn)，在下蹲的過程中，體重計的示數先變小，后變大，再變小。當人靜止后，保持某一數值不變。這是為什么呢？1.重力的測量在地球表面附近，物體由于地球的吸引而受到重力。測量重力常用兩種方法：一種方法是，先測量物體做自由落體運動的加速度g，再用天平測量物體的質量，利用牛頓第二定律可得G＝mg。另一種方法是，利用力的平衡條件對重力進行測量。將待測物體懸掛或放置在測力計上，使它處于靜止狀態(tài)。這時物體所受的重力和測力計對物體的拉力或支持力的大小相等，測力計的示數反映了物體所受的重力大小。這是測量重力最常用的方法。2.超重和失重人站在體重計上向下蹲的過程中，為什么體重計的示數會變化呢？體重計的示數稱為視重，反映了人對體重計的壓力。根據牛頓第三定律，人對體重計的壓力與體重計對人的支持力FN大小相等，方向相反。如圖，選取人為研究對象。人體受到重力mg和體重計對人的支持力FN，這兩個力的共同作用使人在下蹲的過程中，先后經歷加速、減速和靜止三個階段。設豎直向下方向為坐標軸正方向。人加速向下運動的過程中（如下左圖），根據牛頓第二定律，有mg－FN＝ma，F(xiàn)N＝m（g－a）<mg，即體重計的示數所反映的視重（力）小于人所受的重力。物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受重力的現(xiàn)象，叫作失重現(xiàn)象。同理，人減速向下運動的過程中（如下右圖），加速度方向與運動方向相反，有mg－FN＝－ma，F(xiàn)N＝m（g＋a）>mg此時，體重計的示數大于人受到的重力。物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）大于物體所受重力的現(xiàn)象，叫作超重現(xiàn)象。當人相對于體重計靜止不動時，有FN＝mg思考與討論：人站在力傳感器上完成下蹲動作。觀察計算機采集的圖線。如下左圖呈現(xiàn)的是某人下蹲過程中力傳感器的示數隨時間變化的情況。很明顯，圖線直觀地描繪了人在下蹲過程中力傳感器的示數先變小，后變大，再變小，最后保持某一數值不變的全過程。如下右圖，圖線顯示的是某人站在力傳感器上，先“下蹲”后“站起”過程中力傳感器的示數隨時間的變化情況。請你分析力傳感器上的人“站起”過程中超重和失重的情況。可見，人的運動狀態(tài)對體重計上顯示出的結果是有影響的。那么，如果站在體重計上的人既不蹲下，也不站起，體重計上的示數就不會變嗎？做一做：在電梯地板上放一臺體重計。站在體重計上，觀察電梯啟動、制動和運行過程中體重計示數的變化?！纠}】設某人的質量為60kg，站在電梯內的水平地板上，當電梯以0.25m/s2的加速度勻加速上升時，求人對電梯的壓力。g取9.8m/s2。分析人站在電梯內的水平地板上，隨電梯上升過程中受到兩個力的作用：重力mg和地板的支持力FN，受力分析如圖所示。解設豎直向上方向為坐標軸正方向。根據牛頓第二定律，有FN－mg＝maFN＝m（g＋a）＝60×（9.8＋0.25）N＝603N根據牛頓第三定律，人對電梯地板的壓力FN′為FN′＝－FN＝－603N人對電梯的壓力大小為603N，方向豎直向下。這個結果說明，當人與電梯共同向上加速或向下減速運動時，F(xiàn)N>G，人對電梯的壓力將大于人所受的重力，出現(xiàn)超重現(xiàn)象。同理，如果電梯加速下降（或減速上升），F(xiàn)N<G，人對電梯的壓力將小于人的重力，出現(xiàn)失重現(xiàn)象。如果人在加速下降的過程中加速度a＝g，那么，體重計的示數為0。這時物體對支持物（或懸掛物）完全沒有作用力，這種現(xiàn)象被叫作完全失重狀態(tài)。實際中有許多領域涉及超重和失重現(xiàn)象。例如，火箭發(fā)射時向上的加速度很大，火箭底部所承受的壓力要比靜止時大得多。如果是載人航天，在火箭發(fā)射階段，航天員要承受數倍于自身體重的壓力。只有很好地研究材料、機械結構、人體自身所能承受的壓力問題，才能使火箭成功發(fā)射、航天員順利飛向太空。航天器在太空軌道上繞地球或其他天體運行時，航天器內的物體將處于完全失重狀態(tài)。完全失重時，物體將飄浮在空中，液滴呈球形，氣泡在液體中將不會上浮，走路時稍有不慎，將會“上不著天，下不著地”……超重和失重現(xiàn)象在實際中還有許多，請你通過讀書、上網、請教專業(yè)人員等多種途徑進一步學習和了解。【理解+記憶】常思考筆記重點一、重力的測量1.重力的測量方法一：先測量物體做自由落體運動的加速度g，再用天平測量物體的質量，利用牛頓第二定律可得G＝mg．方法二：利用力的平衡條件對重力進行測量．將待測物體懸掛或放置在測力計上，使它處于靜止狀態(tài)．這時物體所受的重力和測力計對物體的拉力或支持力的大小相等，測力計的示數反映了物體所受的重力大?。?.視重：當物體掛在彈簧測力計下或放在水平臺秤上時，彈簧測力計或臺秤的示數稱為“視重”。視重反映了人對彈簧測力計或水平臺秤的拉力或壓力，大小等于彈簧測力計所受的拉力或臺秤所受的壓力．二、超重和失重物體運動情況加速度方向受力圖視重(F)與重力的關系物體所處狀態(tài)向上加速或向下減速向上由F－mg＝ma得F＝m(g＋a)>mg超重向下加速或向上減速向下由mg－F＝ma得F＝m(g－a)<mg失重自由落體運動、拋體運動a＝g由mg－F＝ma得F＝0完全失重1.超重(1)定義：物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)大于物體所受重力的現(xiàn)象，叫超重．(2)產生條件：物體具有豎直向上的加速度．2.失重(1)定義：物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受重力的現(xiàn)象，叫失重．(2)產生條件：物體具有豎直向下的加速度．3.完全失重(1)定義：物體對支持物(或懸掛物)完全沒有作用力，這種現(xiàn)象叫完全失重．(2)產生條件：加速度a＝g，方向豎直向下．【例題+解析】當檢測深究錯題1（2022廣東省潮州市湘橋區(qū)鐵鋪中學高一（上）教學質量檢測）下列關于失重與超重的說法中，正確的是（）A.失重就是物體所受重力變小B.物體加速上升時處于超重狀態(tài)C.物體自由下落時不會產生失重現(xiàn)象D.失重現(xiàn)象中地球對物體的實際作用力沒有變化1.BD解析物體對支持物的壓力（或對懸掛物的拉力）小于物體所受重力的現(xiàn)象叫作失重現(xiàn)象，此時物體所受重力不變，A錯誤；物體加速上升時處于超重狀態(tài)，B正確；物體自由下落時加速度等于重力加速度，會處于完全失重狀態(tài)，C錯誤；失重現(xiàn)象中地球對物體的實際作用力沒有變化，D正確。故選BD。2.(2020·湛江二中)如圖所示，某同學在體驗超重和失重現(xiàn)象．下列說法中正確的是()A.學生緩慢站起來時，體重計示數大于學生的重力B.學生突然站起來開始一段較短時間內，體重計示數大于學生的重力C.學生開始直立，緩慢下蹲時，體重計示數小于學生的重力D.學生突然站起來開始一段較短時間內，體重計對學生的支持力大于學生對體重計的壓力2B解析：學生緩慢站起來時，加速度為零，體重計示數等于學生的重力；學生突然站起來時，加速度向上，處于超重狀態(tài)，體重計示數大于學生的重力；學生緩慢下蹲時加速度為零，體重計示數等于學生的重力；學生突然站起來時，體重計對學生的支持力與學生對體重計的壓力是一對作用力與反作用力，大小相等，故B正確．3.（2022河南省范縣第一中學等學校高一（上）聯(lián)考檢測）如圖所示，人站在電梯中的體重計上，質量為。電梯正在運動，加速度大小為，方向向上，體重計的示數為。已知重力加速度為，則以下說法正確的是（）A. B.C.電梯一定在上升 D.人一定處于超重狀態(tài)3.BD解析由題知，加速度a的方向向上，根據牛頓第二定律有，解得，故人一定處于超重狀態(tài)，A錯誤，BD正確；由題知，加速度a的方向向上，故電梯可能加速上升或減速下降，C錯誤。故選BD。4.（2022廣東省廣州市天河區(qū)高一（上）期末）曉玲同學在某次乘電梯過程中感覺到地板對自己的作用力變大了，則此時（）A.她受的重力變大了 B.她對電梯的壓力變大了C.電梯一定在向上加速運動 D.電梯可能向上減速運動4.B解析曉玲同學在某次乘電梯過程中感覺到地板對自己的作用力變大了，說明她對電梯的壓力變大了，處于超重狀態(tài)，可能向上加速運動，也可能向下減速運動，但她受的重力不變。故ACD錯誤，B正確。故選B。5.(2020·汕尾檢測)學生利用一彈簧測力計把質量m＝1kg的物體懸吊在豎直電梯的天花板下，測力計的示數隨時間的變化如圖所示，取g＝10m/s2，他想通過測力計的示數來判斷電梯的運動情況，下列說法中正確的是()A.3～6s內，電梯的加速度為10m/s2B.電梯全程處于下行狀態(tài)C.電梯先向下后向上運動D.電梯先減速接著加速運動5B解析：物體在0～3s內的加速度a1＝eq\f(mg－F1,m)＝eq\f(1×10－5,1)m/s2＝5m/s2，加速度的方向與重力加速度的方向相同，所以電梯向下做加速運動；3～6s測力計的示數等于重力，則電梯向下做勻速運動；6～9s內物體的加速度a2＝eq\f(mg－F3,m)＝－5m/s2，加速度的方向與重力加速度的方向相反，所以電梯向下做減速運動，綜上所述，電梯向下先加速接著勻速最后減速運動，全程處于下行狀態(tài)，故B正確，A、C、D均錯誤．6.（2022廣東省茂名市“五校聯(lián)盟”高一（上）期末聯(lián)考）如圖為某運動員做蹦床運動時，利用傳感器測得蹦床彈力隨時間的變化圖。假設運動員僅在豎直方向運動，且不計空氣阻力，g取10m/s2，依據圖像給出的物理信息，可得（）A.運動員上升的最高高度為5mB.運動員的加速度最大為50m/s2C.8.7s至9.5s內，運動員先處于失重狀態(tài)再處于超重狀態(tài)D.運動員與蹦床相接觸過程中，運動員受到蹦床的彈力是由于運動員發(fā)生彈性形變而產生的6.A解析由圖可知，運動員在空中時間為，由運動的對稱性可知，下落時間為，運動員上升的最高高度為，A正確；由圖可知，運動員的重力為500N，質量為，運動員的加速度最大為，B錯誤；8.7s至9.5s內，蹦床彈力由0增加到2500N再減小到0，運動員先處于失重狀態(tài)后處于超重狀態(tài)再處于失重狀態(tài)，C錯誤；運動員與蹦床相接觸的過程中，運動員受到蹦床的彈力是由于蹦床發(fā)生彈性形變而產生的，D錯誤。故選A。【作業(yè)+練習】強基礎提升能力【作業(yè)】1.當在盛水的塑料瓶壁上扎一個小孔時，水會從小孔噴出，但釋放水瓶，讓水瓶自由下落，水卻不會從小孔流出。這是為什么？2.蹦極是一項極限體育項目。運動員從高處跳下，在彈性繩被拉直前做自由落體運動；當彈性繩被拉直后，在彈性繩的緩沖作用下，運動員下降速度先增加再減小逐漸減為0。下降過程中，運動員在什么階段分別處于超重、失重狀態(tài)？3.火箭發(fā)射時，宇航員要承受超重的考驗。某火箭發(fā)射的過程中，有一段時間的加速度達到3.5g，平時重力為10N的體內臟器，在該超重過程中需要的支持力有多大？4.一種巨型娛樂器械可以使人體驗超重和失重狀態(tài)（如圖）。一個可乘坐二十多個人的環(huán)形座艙套裝在豎直柱子上，由升降機送上幾十米的高處，然后讓座艙自由落下。落到一定位置時，制動系統(tǒng)啟動，到地面時剛好停下。已知座艙開始下落時的高度為76m，當落到離地面28m的位置時開始制動，座艙做勻減速運動。若座艙中某人用手托著質量為0.2kg的，當座艙落到離地面50m的位置時，手的感覺如何？當座艙落到離地面15m的位置時，手要用多大的力才能托??？5.小明住的樓房中有一部電梯，小明用了兩種方法估測電梯在加速和減速過程中的加速度。方法1用測力計懸吊一個重物，保持測力計相對電梯靜止，測得電梯上升加速時測力計讀數為G1，減速時為G2。小明了解到該電梯加速和減速過程的加速度大小是相同的。由此，請估算電梯變速運動時加速度有多大？方法2用的加速度傳感器測量電梯上升中由起動到停止的加速度。請描述此過程電梯的at圖像是怎樣的。再用實地測一下看是怎樣的?！咀鳂I(yè)參考答案】【練習】1.下列關于超重和失重的說法正確的是()A.物體處于超重狀態(tài)時，其重力增加了B.物體處于完全失重狀態(tài)時，其重力為零C.物體處于超重或失重狀態(tài)時，其慣性比物體處于靜止狀態(tài)時增大或減小了D.物體處于超重或失重狀態(tài)時，其質量及受到的重力都沒有發(fā)生變化2.當人站立在體重計上加速下蹲時，體重計的示數會減小，這是因為（）A.人處于超重狀態(tài) B.人處于失重狀態(tài)C.人的重力增加了 D.人的重力減少了3.在升降電梯內的地面上放一體重計，電梯靜止時，曉敏同學站在體重計上，體重計示數為50kg.電梯運動過程中，某一段時間內曉敏同學發(fā)現(xiàn)體重計示數如圖所示，則在這段時間內()A.曉敏同學所受的重力變小了B.曉敏同學對體重計的壓力小于體重計對曉敏的支持力C.電梯一定在豎直向下運動D.電梯的加速度大小為eq\f(g,5)，方向一定豎直向下4.如圖，跳高運動員起跳后向上運動，越過橫桿后開始向下運動，則運動員越過橫桿前、后在空中所處的狀態(tài)分別為()A．失重、失重B．超重、超重C．失重、超重D．超重、失重5.如圖所示，升降機天花板上用輕彈簧懸掛一物體，升降機靜止時彈簧伸長10cm，運動時彈簧伸長9cm，則升降機的運動狀態(tài)可能是(g取10m/s2)()A．以a＝1m/s2的加速度加速下降B．以a＝1m/s2的加速度加速上升C．以a＝9m/s2的加速度減速上升D．以a＝9m/s2的加速度減速下降6.金屬小桶側面有一小孔A，當桶內盛水時，水會從小孔A中流出。如果讓裝滿水的小桶自由下落，不計空氣阻力，則在小桶自由下落過程中()A．水繼續(xù)以相同的速度從小孔中噴出B．水不再從小孔噴出C．水將以更大的速度噴出D．水將以較小的速度噴出7.某人在地面上最多可舉起50kg的物體，若他在豎直向上運動的電梯中最多舉起了60kg的物體，電梯加速度的大小和方向為(g＝10m/s2)()A．2m/s2豎直向上 B.eq\f(5,3)m/s2豎直向上C．2m/s2豎直向下 D.eq\f(5,3)m/s2豎直向下8.在電梯中，把一重物置于臺秤上，臺秤與力傳感器相連，當電梯從靜止起加速上升，然后又勻速運動一段時間，最后停止運動時，傳感器的熒屏上顯示出其受的壓力與時間的關系圖像如圖所示．試由此圖回答問題：(g取10m/s2)(1)該物體的重力是多少？電梯在超重和失重時物體的重力是否變化？(2)求出電梯在超重和失重時的最大加速度分別是多大？9.廣州塔，昵稱小蠻腰，總高度達600米，游客乘坐觀光電梯大約一分鐘就可以到達觀光平臺。若電梯簡化成只受重力與繩索拉力，已知電梯在t＝0時由靜止開始上升，a－t圖象如圖所示。則下列相關說法正確的是()A．t＝4.5s時，電梯處于失重狀態(tài)B．5～55s時間內，繩索拉力最小C．t＝59.5s時，電梯處于超重狀態(tài)D．t＝60s時，電梯速度恰好為零10.如圖所示，“蹦極”是一項非常刺激的體育運動．某人身系彈性繩自高空P點自由下落，圖中a點是彈性繩的原長位置，c點是人所到達的最低點，b點是人靜止懸吊時的平衡位置，空氣阻力不計．則人從P點落下到最低點c點的過程中()A.人從a點開始做減速運動，一直處于失重狀態(tài)B.在ab段繩的拉力小于人的重力，人處于超重狀態(tài)C.在bc段繩的拉力大于人的重力，人處于超重狀態(tài)D.在c點，人的速度為零，其加速度也為零11.一質量為m＝40kg的小孩站在電梯內的體重計上．電梯從t＝0時刻由靜止開始上升，在0～6s內體重計示數F的變化情況如圖所示．試問：在這段時間內小孩超、失重情況及電梯上升的高度是多少？(取重力加速度g＝10m/s2)【練習參考答案】水平達成1.D解析：物體處于超重或失重狀態(tài)時物體的重力(由地球對物體吸引而產生的)本身不會發(fā)生變化，所以A、B錯誤；質量是慣性大小的量度，所以一個物體的慣性不會隨物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化，C錯誤，D正確．2.B解析：人站立在體重計上加速下蹲，設支持力為N，由牛頓第二定律：，可得，由牛頓第三定律可知，人對稱的壓力（視重）小于重力，即：，故視重變小是因為人處于失重狀態(tài)，人具有豎直向下的加速度，A錯誤，B正確；人的重力由質量和重力加速度決定，與人的狀態(tài)無關，即人的重力(實重)不變，CD錯誤。故選B。3.D解析：在這段時間內曉敏處于失重狀態(tài)，體重計示數變小，是由于曉敏對體重計的壓力變小了，而她的重力沒有改變，A錯誤；曉敏對體重計的壓力與體重計對曉敏的支持力是一對作用力與反作用力，大小一定相等，B錯誤；以豎直向下為正方向，有mg－F＝ma，即50g－40g＝50a，解得a＝eq\f(g,5)，加速度方向豎直向下，但運動方向可能是豎直向上，也可能是豎直向下，C錯誤，D正確．4.A解析：運動員在空中運動的過程中，加速度總是豎直向下的，則運動員越過橫桿前、后在空中所處的狀態(tài)都是失重狀態(tài)，故選A.5.A解析：當升降機靜止時，根據胡克定律和二力平衡條件得kx1－mg＝0，其中k為彈簧的勁度系數，x1＝0.1m．當彈簧伸長量為x2＝9cm時，kx2<mg，說明物體處于失重狀態(tài)，升降機加速度a的方向必向下，由牛頓第二定律得mg－kx2＝ma，解得a＝1m/s2.升降機加速度方向向下，如果向下運動，則為加速運動，如果向上運動，則為減速運動．由此可知選項A正確．6.B解析：水桶自由下落，處于完全失重狀態(tài)，故其中的水也處于完全失重狀態(tài)，對容器壁無壓力，故水不會流出；故選B。7.D解析：由題意可知，在地面上，人能承受的最大壓力為Fm＝mg＝500N，在電梯中人能舉起＝eq\f(5,3)m/s2，所以選項D正確.8.(1)根據題意知，在4～18s時間內，物體隨電梯一起勻速運動，由平衡條件及牛頓第三定律知，臺秤受的壓力和物體的重力相等，即G＝30N；根據超重和失重的本質知物