【學(xué)與練】高中物理粵教2019版必修1：第4章6失重和超重學(xué)案

第六節(jié)失重和超重學(xué)習(xí)目標(biāo)STSE情境導(dǎo)學(xué)1.知道超重和失重，理解產(chǎn)生超重、失重現(xiàn)象的條件.（重點(diǎn)）2.理解生活中的超重和失重現(xiàn)象，并能分析解決相關(guān)物理問題.（難點(diǎn)）火箭在發(fā)射過程中處于超重狀態(tài)在自由向下俯沖的飛機(jī)艙內(nèi)，物體處于完全失重狀態(tài)知識(shí)點(diǎn)超重和失重1.幾個(gè)概念.（1）超重：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┐笥谖矬w所受重力的現(xiàn)象，稱為超重現(xiàn)象.（2）失重：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受重力的現(xiàn)象，稱為失重現(xiàn)象.（3）完全失重：如果物體對(duì)支持物、懸掛物完全沒有作用力，這時(shí)物體正好以大小等于g、方向豎直向下的加速度運(yùn)動(dòng)，此時(shí)物體處于完全失重狀態(tài).2.判斷物體超重與失重的方法.（1）從受力的角度判斷.超重：物體所受向上的拉力（或支持力）大于（選填“大于”或“小于”）重力，即視重大于實(shí)重.失重：物體所受向上的拉力（或支持力）小于（選填“大于”或“小于”）重力，即視重小于實(shí)重.完全失重：物體對(duì)支持物（或懸掛物）的壓力（或拉力）為零，即視重為零.（2）從加速度的角度判斷.①當(dāng)物體的加速度方向向上（選填“向上”或“向下”）[或豎直分量向上（選填“向上”或“向下”）]時(shí)，處于超重狀態(tài).根據(jù)牛頓第二定律：FN－mg＝ma，此時(shí)FN>mg，即處于超重狀態(tài).②當(dāng)物體的加速度方向向下（選填“向上”或“向下”）[或豎直分量向下（選填“向上”或“向下”）]時(shí)，處于失重狀態(tài).根據(jù)牛頓第二定律：mg－FN＝ma，此時(shí)FN<mg，即處于失重狀態(tài).③當(dāng)物體的加速度為g時(shí)，處于完全失重狀態(tài)，根據(jù)牛頓第二定律：mg－FN＝ma，此時(shí)FN＝0，即a＝g.小試身手關(guān)于超重和失重，下列說法正確的是（）A.超重就是物體受的重力增加了B.失重就是物體受的重力減少了C.完全失重就是物體一點(diǎn)重力都沒有了D.不論超重、失重，物體所受的重力是不變的答案：D探究一對(duì)超重和失重現(xiàn)象的理解1.實(shí)重與視重.實(shí)重：物體實(shí)際所受的重力.物體所受重力不會(huì)因物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而變化.視重：當(dāng)將物體掛在彈簧測(cè)力計(jì)下或放在水平臺(tái)秤上時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)或臺(tái)秤的示數(shù)稱為“視重”，大小等于彈簧測(cè)力計(jì)所受的拉力或臺(tái)秤所受的壓力.2.超重與失重僅僅是一種表象，所謂超重與失重，只是拉力（或支持力）的增大與減小，是視重的改變，物體的實(shí)重始終未變.3.超重和失重的條件.產(chǎn)生超重現(xiàn)象的條件：物體具有向上的加速度，即做加速上升或減速下降運(yùn)動(dòng)，與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān).產(chǎn)生失重現(xiàn)象的條件：物體具有向下的加速度，即做加速下降或減速上升運(yùn)動(dòng)，與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān).完全失重的條件：物體只在重力作用下運(yùn)動(dòng)，與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān).總結(jié)：超重與失重，全由a的方向決定，向上為超重，向下為失重.【典例1】2021年我國(guó)共發(fā)射火箭55枚，發(fā)射次數(shù)榮登世界第一.宇航員在火箭發(fā)射（如圖）與飛船回收的過程中均要經(jīng)受超重與失重的考驗(yàn)，下列說法正確的是（）A.火箭加速上升時(shí)，宇航員處于超重狀態(tài)B.飛船落地前減速下落時(shí)，宇航員處于失重狀態(tài)C.火箭加速上升時(shí)，宇航員對(duì)座椅的壓力小于自身重力D.火箭加速上升過程中加速度逐漸減小時(shí)，宇航員處于失重狀態(tài)解析：火箭加速上升時(shí)，加速度方向向上，根據(jù)牛頓第二定律可知宇航員受到的支持力大于自身的重力，宇航員處于超重狀態(tài)，對(duì)座椅的壓力大于自身重力，選項(xiàng)A正確，C錯(cuò)誤；飛船落地前減速下落時(shí)，加速度方向向上，根據(jù)牛頓第二定律可知宇航員受到的支持力大于自身的重力，宇航員處于超重狀態(tài)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；火箭加速上升過程中加速度逐漸減小時(shí)，加速度方向向上，宇航員處于超重狀態(tài)，選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案：A判斷超重和失重現(xiàn)象的三個(gè)技巧（1）從受力的角度判斷，當(dāng)物體所受向上的拉力（或支持力）大于重力時(shí)，物體處于超重狀態(tài)；小于重力時(shí)處于失重狀態(tài)，等于零時(shí)處于完全失重狀態(tài).（2）從加速度的角度判斷，當(dāng)物體具有向上的加速度時(shí)處于超重狀態(tài)，具有向下的加速度時(shí)處于失重狀態(tài)，向下的加速度為重力加速度時(shí)處于完全失重狀態(tài).（3）從速度變化角度判斷.①物體向上加速或向下減速時(shí)，超重；②物體向下加速或向上減速時(shí)，失重.1.如圖所示，在教室里某同學(xué)在體重計(jì)上研究超重與失重.她由穩(wěn)定的站姿變化到穩(wěn)定的蹲姿稱為“下蹲”過程，由穩(wěn)定的蹲姿變化到穩(wěn)定的站姿稱為“起立”過程.關(guān)于她的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，下列說法中正確的是（）A.只有“起立”過程，才能出現(xiàn)失重的現(xiàn)象B.只有“下蹲”過程，才能出現(xiàn)超重的現(xiàn)象C.“下蹲”的過程，先出現(xiàn)超重現(xiàn)象后出現(xiàn)失重現(xiàn)象D.“起立”“下蹲”的過程，都能出現(xiàn)超重和失重的現(xiàn)象解析：下蹲過程中，人先向下做加速運(yùn)動(dòng)，后向下做減速運(yùn)動(dòng)，所以先處于失重狀態(tài)后處于超重狀態(tài)；人從下蹲狀態(tài)站起來的過程中，先向上做加速運(yùn)動(dòng)，后向上做減速運(yùn)動(dòng)，最后回到靜止?fàn)顟B(tài)，人先處于超重狀態(tài)后處于失重狀態(tài)，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確.答案：D2.升降機(jī)里有一個(gè)用彈簧測(cè)力計(jì)懸掛著的重物，以下說法中正確的是（）A.彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)在升降機(jī)下降時(shí)比上升時(shí)要小B.彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)在升降機(jī)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)比勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)要小C.彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)總等于重物對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的作用力大小D.不論升降機(jī)怎樣運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)始終等于重物的重力解析：當(dāng)升降機(jī)加速上升或減速下降時(shí)，處于超重狀態(tài)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)要比重物的重力大；當(dāng)升降機(jī)減速上升或加速下降時(shí)，處于失重狀態(tài)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)要比重物的重力?。簧禉C(jī)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)等于重物的重力，故A、B、D錯(cuò)誤.根據(jù)牛頓第三定律可知彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)總等于重物對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的作用力大小，故C正確.答案：C探究二對(duì)完全失重的理解1.完全失重是物體的視重為零，對(duì)支持物或懸掛物的壓力或拉力為零.根據(jù)mg－FN＝ma知，當(dāng)FN＝0時(shí)，a＝g，即處于完全失重的物體具有豎直向下、大小為g的加速度.2.發(fā)生完全失重現(xiàn)象時(shí)，與重力有關(guān)的一切現(xiàn)象都將消失.比如液體的壓強(qiáng)、浮力將為零；水銀壓強(qiáng)計(jì)、天平將無法使用；擺鐘停擺；彈簧測(cè)力計(jì)不能測(cè)重力等.3.只受重力作用的一切拋體運(yùn)動(dòng)，如我們學(xué)過的自由落體運(yùn)動(dòng)和豎直上拋、平拋、斜拋運(yùn)動(dòng)等，物體在空中只受重力的作用，其加速度等于g，物體都處于完全失重狀態(tài).【典例2】（多選）“蹦極”是一項(xiàng)非常刺激的體育運(yùn)動(dòng).某人身系彈性繩自高空P點(diǎn)自由下落，圖中a點(diǎn)是彈性繩的原長(zhǎng)位置，c是人所到達(dá)的最低點(diǎn)，b是人靜止地懸吊著時(shí)的平衡位置，人在從P點(diǎn)落下到最低點(diǎn)c的過程中（）A.人在Pa段做自由落體運(yùn)動(dòng)，處于完全失重狀態(tài)B.在ab段繩的拉力小于人的重力，人處于失重狀態(tài)C.在bc段繩的拉力小于人的重力，人處于失重狀態(tài)D.在c點(diǎn)，人的速度為零，其加速度為零解析：由于在b點(diǎn)時(shí)重力與繩的拉力平衡，則人在ab段重力與拉力的合力的方向向下，產(chǎn)生向下的加速度，則人處于失重狀態(tài)，在bc段處于超重狀態(tài)，在c點(diǎn)時(shí)速度為零，加速度不為零.答案：AB3.某同學(xué)找了一個(gè)用過的易拉罐，在靠近底部的側(cè)面打了一個(gè)小孔，用手指按住小孔的同時(shí)往罐里裝滿水，然后將易拉罐向上拋出，運(yùn)動(dòng)過程中罐底始終向下，空氣阻力不計(jì).下列說法正確的是（）A.在易拉罐上升過程中，小孔中有水射出，水射出比罐靜止時(shí)慢B.在易拉罐下降過程中，小孔中有水射出，水射出比罐靜止時(shí)快C.在易拉罐上升、下降過程中，小孔中射出水的快慢都和罐靜止時(shí)相同D.在易拉罐上升、下降過程中，水都不會(huì)從小孔中射出解析：將易拉罐豎直向上拋出后，由于空氣阻力不計(jì)，易拉罐及水的加速度等于重力加速度，易拉罐處于完全失重狀態(tài)，易拉罐中各層水之間沒有壓力，在整體過程中，水都不會(huì)從小孔射出，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確.答案：D探究三用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析超重和失重現(xiàn)象1.超重、失重的分析.項(xiàng)目加速度視重（F）與重力的關(guān)系運(yùn)動(dòng)情況受力圖平衡a＝0F＝mg靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)超重向上F＝m（g＋a）＞mg向上加速或向下減速失重向下F＝m（g－a）＜mg向下加速或向上減速完全失重向下a＝gF＝0拋體運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)等2.求解超重與失重問題的基本思路.超重和失重問題實(shí)質(zhì)上就是牛頓第二定律應(yīng)用的延續(xù)，解題時(shí)仍應(yīng)抓住加速度這個(gè)關(guān)鍵量.具體方法是：（1）分析物體運(yùn)動(dòng)的加速度方向.（2）判斷物體處于超重（或失重）狀態(tài).（3）利用牛頓第二定律分析和求解.【典例3】在升降電梯內(nèi)的地面上放一體重計(jì)，電梯靜止時(shí)，曉敏站在體重計(jì)上，體重計(jì)的示數(shù)為50kg.電梯運(yùn)動(dòng)過程中，有一段時(shí)間內(nèi)曉敏發(fā)現(xiàn)體重的計(jì)示數(shù)如圖所示，在這段時(shí)間內(nèi)，下列說法中正確的是（）A.曉敏所受的重力變小了B.曉敏對(duì)體重計(jì)的壓力小于體重計(jì)對(duì)曉敏的支持力C.電梯一定在豎直向下運(yùn)動(dòng)D.電梯的加速度大小為eq\f(g,5)，方向一定豎直向下解析：體重計(jì)示數(shù)是40kg，示數(shù)小于體重，說明曉敏對(duì)體重計(jì)的壓力小于重力，并不是體重變小，故A錯(cuò)誤，曉敏對(duì)體重計(jì)的壓力和體重計(jì)對(duì)曉敏的支持力是一對(duì)作用力與反作用力，大小相等，故B錯(cuò)誤；電梯做向上的減速運(yùn)動(dòng)也會(huì)是失重狀態(tài)，示數(shù)小于其重力，故C錯(cuò)誤；以人為研究對(duì)象，有mg－FN＝ma，求得a＝eq\f(mg－FN,m)＝eq\f(50g－40g,50)＝eq\f(1,5)g，方向豎直向下，選項(xiàng)D正確.答案：D超重、失重問題是牛頓第二定律的應(yīng)用，解決這類問題的方法與處理動(dòng)力學(xué)兩類問題的方法相同.4.小明在力傳感器上完成“下蹲”和“站起”動(dòng)作，計(jì)算機(jī)采集的圖線如圖所示.由圖中信息可以判斷（重力加速度g取10m/s2）（）A.小明的體重大約為70kgB.小明先完成“下蹲”動(dòng)作，再完成“站起”動(dòng)作C.“站起”過程一直處于超重狀態(tài)D.整個(gè)過程的最大加速度約為4m/s2解析：開始時(shí)小明處于平衡狀態(tài)，小明對(duì)傳感器的壓力是500N，則小明的重力約為500N，體重約為50kg，故A錯(cuò)誤；小明下蹲動(dòng)作分別有失重和超重兩個(gè)過程，先是加速下降失重（小于自身重力），到達(dá)一個(gè)最大速度后再減速下降超重（大于自身重力），站起過程分別有超重和失重兩個(gè)過程，先是加速上升超重（大于自身重力），到達(dá)一個(gè)最大速度后再減速上升失重（小于自身重力），由題圖像可知，小明先完成“下蹲”動(dòng)作，再完成“站起”動(dòng)作，故B正確，C錯(cuò)誤；由題圖可知，小明對(duì)力傳感器的最小壓力約為200N，則最大加速度約為a＝eq\f(500－200,50)m/s2＝6m/s2，故D錯(cuò)誤.答案：B5.一質(zhì)量為m＝40kg的小孩子站在電梯內(nèi)的體重計(jì)上.電梯從t＝0時(shí)刻由靜止開始下降，在0～6s內(nèi)體重計(jì)示數(shù)F的變化如圖所示.試求：這段時(shí)間內(nèi)電梯下降的高度（重力加速度g取10m/s2）.解析：由題圖可知，在第一段時(shí)間0～1s內(nèi)，t1＝1s，電梯向下勻加速運(yùn)動(dòng)，mg－F1＝ma1，解得a1＝2m/s2，電梯