物理必修 第一册第5节 超重与失重导学案

这是一份物理必修 第一册第5节 超重与失重导学案，共10页。
超重与失重核心素养目标新课程标准1.通过对超重和失重、视重的学习，体会物理观念的生成过程。2．通过超、失重模型的构建，体会科学思维在对物理问题认识过程中所起的作用。3．体验生活中的超重、失重现象，感受科学之美，培养科学认真探索自然规律的态度1.知道超重、失重和完全失重现象。2．会根据条件判断超重、失重现象。3．能应用牛顿第二运动定律解释产生超重和失重的原因  知识点一　超重现象[情境导学]在乘竖直升降的电梯上楼时，电梯向上启动的瞬间大家都有“向下坠”的感觉，好像自己变重了，这是为什么呢？提示：电梯向上启动的瞬间，电梯里的人处于超重状态，电梯对人的支持力大于人的重力，使自己感觉好像变重了。[知识梳理]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。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。[初试小题]1．判断正误。(1)弹簧测力计测量重力时其示数一定等于物体的重力大小。(×)(2)物体处于超重状态时，重力增大了。(×)(3)物体处于超重状态时，可能向下运动。(√)(4)竖直向上运动的物体一定处于超重状态。(×)2.思考题如图所示，人随自动扶梯向上加速运动时，人处于什么状态？提示：此时人具有竖直向上的加速度分量，处于超重状态。知识点二　失重现象[情境导学]侧面有一个洞的杯子里面装满水，让杯子做自由落体运动，水会不会从洞中射出来？为什么？提示：当杯子自由下落时，杯中的水处于完全失重状态，水的内部没有压力，故水不会喷出。但杯子中水的重力仍然存在，其作用效果是用来产生重力加速度。[知识梳理]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)物体在做自由落体运动时，处于完全失重状态。[初试小题]1．判断正误。(1)做自由落体的物体处于完全失重状态。(√)(2)物体在完全失重的条件下，对支持它的支撑面压力为零。(√)(3)不论物体处于超重、失重、还是完全失重状态，物体所受重力都是不变的。(√)2．如图，跳高运动员起跳后向上运动，越过横杆后开始向下运动，则运动员越过横杆前、后在空中所处的状态分别为(　　)A．失重、失重　　　　　　 B．超重、超重C．失重、超重 D．超重、失重解析：选A　运动员在空中运动的过程中，加速度总是竖直向下的且大小为g，则运动员越过横杆前、后在空中所处的状态都是完全失重状态，故A正确。对超重、失重现象的理解[问题探究](1)我们测量体重时，站在台秤上应保持什么状态？为什么要这样？(2)人在下蹲过程中，体重计的示数如何变化？提示：(1)测体重时应保持静止状态。因为体重计的示数实际是人对体重计压力的大小，保持静止状态，人对体重计的压力大小等于人的重力。(2)下蹲过程，人的重心先加速下降，此时加速度方向向下，人处于失重状态，示数小于重力；然后再减速下降，加速度方向向上，人处于超重状态，示数大于重力；最终重心保持不动，既不超重也不失重，示数等于重力。[要点归纳]1．重力与视重的区别(1)重力：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．对超重和失重的理解(1)当视重与物体的重力不同时，即发生了超重或失重现象。(2)判断出现超重、失重现象的依据是加速度的方向，而与物体的运动方向无关。当物体具有向上的加速度时，无论物体向什么方向运动，视重大于重力，出现超重现象。反之则出现失重现象。[特别提醒]　在完全失重的状态下，由重力引起的现象将消失。例如：液体的压强、浮力将为零；水银压强计、天平将无法使用；摆钟停摆；弹簧测力计不能测重力等。[例题1]　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的重力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，宇航员处于超重状态，宇航员对座椅的压力大于自身重力，故A正确，C、D错误；飞船落地前减速下落时，加速度向上，宇航员处于超重状态，故B错误。[答案]　A判断物体超重与失重的方法(1)从受力的角度判断①超重：物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力。②失重：物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力。(2)从加速度的角度判断①当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时，处于超重状态。②当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时，处于失重状态。　　　　 [针对训练]1．下列关于超重和失重的说法正确的是(　　)A．物体处于失重时所受重力减小，处于超重时所受重力增大B．在电梯上出现失重状态时，电梯必定处于下降过程C．电梯出现超重现象时，电梯必定处于上升过程D．无论超重、失重，物体的质量不变，物体所受的重力不变解析：选D　超重是接触面对物体的支持力大于物体的真实重力，物体的重力并没有增加，故A错误；在电梯上出现失重状态时，电梯的加速度方向向下，可能处于加速下降的过程，也可能是减速上升的过程，故B错误；电梯出现超重现象时，电梯的加速度方向向上，可能处于加速上升的过程，也可能是减速下降的过程，故C错误；物体无论超重，还是失重，物体的质量不变，物体所受重力不变，故D正确。2.(多选)“蹦极”是一项非常刺激的运动，某人身系弹性绳由高空P点自由下落(忽略空气阻力)，图中A点是弹性绳的原长位置，C点是人所能到达的最低点，B点是人静止悬吊着时的平衡位置，人从P点落下到最低点C的过程中(　　)A．人在PA段做自由落体运动，处于完全失重状态B．在AB段绳的拉力小于人的重力，人处于失重状态C．在BC段绳的拉力小于人的重力，人处于失重状态D．在C点，人的速度为0，其加速度为0解析：选AB　在PA段绳还没有被拉直，人做自由落体运动，所以处于完全失重状态，所以A正确；在AB段绳的拉力小于人的重力，人受到的合力向下，有向下的加速度，处于失重状态，所以B正确；在BC段绳的拉力大于人的重力，人受到的合力向上，有向上的加速度，处于超重状态，所以C错误；在C点，绳的形变量最大，绳的拉力最大，人受到的合力向上，有向上的加速度，处于超重状态，所以D错误。3．(多选)对于质量为m的物体，下列说法正确的是(　　)A．将此物体由北京移至地球北极，其重力增大，是“超重”现象B．将此物体放在车厢内，并使车厢沿水平方向以加速度a加速运动，则此物体的重力“增加”了“ma”，是超重现象所致C．让此物体沿光滑斜面自由下滑时，必出现“失重”现象D．置此物体于升降机的地板之上，并使二者以加速度a竖直向上加速运动，则此物体出现“超重”现象，且此时物体对升降机地板的压力比物体的重力大“ma”解析：选CD　物体由北京移至地球北极，因地理位置的变化而导致物体重力的增加，但不是“超重”现象，选项A错误。只要具有竖直方向上的加速度分量，就会发生超重或失重现象，此处的物体与车厢沿水平方向以加速度a共同运动，不会发生超重现象，更不可能使物体的重力“增加”“ma”，故选项B错误。因物体沿光滑斜面自由下滑时，具有沿斜面向下的加速度，而此加速度必然在竖直方向上有一竖直向下的分量，故物体沿光滑斜面自由下滑时必出现“失重”现象，选项C正确。物体与升降机共同竖直向上加速运动，必然发生超重现象，设物体对升降机地板的压力为F，则由牛顿第二运动定律得F－mg＝ma，即F＝m(a＋g)>mg，其中“ma”便是由于超重而使物体对升降机地板的压力比物体所受重力“增大”了的数值，故选项D正确。 超重、失重的综合分析与计算[问题探究]找一条纸带，在纸带中间部位剪个小缺口，纸带的一端固定一重物，另一端用手拿住，小心提起重物，这时纸带没有断。(1)然后向上加速提起重物，纸带就断了，为什么？(2)若提起重物急剧向下运动后突然停住，会看到什么现象，为什么？提示：(1)当重物以加速度a向上运动时，重物受重力G和纸带的拉力F的作用，由牛顿第二运动定律知F－mg＝ma，所以F＝m(g＋a)。这时拉力大于重物所受的重力。当拉力达到纸带最大承受力时，纸带就断裂了。(2)当提起重物急剧向下运动后突然停住，重物向下减速运动，通过计算可以得出这时纸带的拉力F＝m(g＋a′)，大于重物所受的重力。当拉力超过纸带最大承受力时，纸带也会断裂。[要点归纳]1．平衡、超重、失重、安全失重的比较  加速度视重(F)与重力关系运动情况受力图平衡a＝0F＝mg静止或匀速直线运动超重向上F＝m(g＋a)＞mg向上加速或向下减速失重向下F＝m(g－a)＜mg(a＜g)向下加速或向上减速完全失重a＝gF＝0自由落体运动、抛体运动、沿圆轨道运行的卫星 2．有关超重、失重问题的分析方法求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。首先应根据加速度方向判断物体是处于超重状态还是失重状态，然后选加速度方向为正方向，分析物体的受力情况，利用牛顿第二运动定律进行求解。[例题2]　一质量为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，在0～6 s内体重计示数F的变化如图所示。试问：在这段时间内电梯上升的高度是多少？(g取10 m/s2)[解析]　由图可知，在0～2 s内，体重计的示数大于小孩的重力mg，故电梯应向上做加速运动，设在这段时间内体重计作用于小孩的力为N1，电梯及小孩的加速度大小为a1，根据牛顿第二运动定律得N1－mg＝ma1在这段时间内电梯上升的高度h1＝a1t在2～5 s内，体重计的示数等于mg，故电梯应向上做匀速运动，速度等于2 s时电梯的速度，即v1＝a1t1在这段时间内电梯上升的高度h2＝v1t2在5～6 s内，体重计的示数小于mg，故电梯应向上做减速运动，设这段时间内体重计作用于小孩的力为N2，电梯及小孩的加速度大小为a2，由牛顿第二运动定律得mg－N2＝ma2在这段时间内电梯上升的高度h3＝v1t3－a2t电梯上升的总高度h＝h1＋h2＋h3代入数据t1＝2 s，t2＝3 s，t3＝1 s，m＝40 kg，N1＝440 N，N2＝320 N解得h＝9 m。[答案]　9 m通过Ft图像分析超重、失重现象的步骤(1)分析有关超重、失重现象的图像问题时，通过读取图像信息，获取不同阶段物体的受力情况，将物体受到的力(拉力或支持力)与重力大小相比较；(2)分别构建匀变速直线运动或匀速直线运动模型，利用牛顿第二运动定律求解不同阶段的加速度；(3)利用直线运动的规律求解相关的物理量。　　　　 [针对训练]1.(多选)电梯的顶部挂了一个弹簧测力计，测力计下端挂了一个质量为1 kg的重物，电梯匀速直线运动时，弹簧测力计的示数为10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧测力计的示数变为12 N。关于电梯的运动(如图所示)，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2 m/s2B．电梯可能向下加速运动，加速度大小为4 m/s2C．电梯可能向上减速运动，加速度大小为4 m/s2D．电梯可能向下减速运动，加速度大小为2 m/s2解析：选AD　电梯匀速直线运动时，弹簧测力计的示数为10 N，知重物的重力等于10 N；在某时刻电梯中的人观察到弹簧测力计的示数变为12 N，对重物有：F－mg＝ma，解得a＝2 m/s2，方向竖直向上，电梯可能向上做加速运动，也可能向下做减速运动，故A、D正确，B、C错误。2．(多选)小明站在电梯内的体重计上，电梯静止时体重计示数为50 kg，若电梯在竖直方向上的运动过程中，他看到体重计的示数为45 kg时。下列说法中正确的是(g取10 m/s2)(　　)A．电梯可能在加速上升，加速度大小为9 m/s2B．电梯可能在加速下降，加速度大小为1 m/s2C．电梯可能在减速上升，加速度大小为1 m/s2D．电梯可能在减速下降，加速度大小为9 m/s2解析：选BC　小明的体重为50 kg，体重计的示数为45 kg，说明电梯有向下的加速度，失重，运动情况可能为向上减速或向下加速；小明受支持力和重力，由牛顿第二运动定律可知其加速度为a＝＝ m/s2＝1 m/s2，故B、C正确，A、D错误。3．电梯地板上放一木箱，质量为m。电梯在以0.2g的加速度向上加速运动的过程中，木箱(　　)A．处于失重状态，所受支持力为0.8mgB．处于失重状态，所受支持力为0.2mgC．处于超重状态，所受支持力为1.2mgD．处于超重状态，所受支持力为0.8mg解析：选C　电梯在以0.2g的加速度向上加速运动的过程中，加速度方向向上，所以木箱处于超重状态，由牛顿第二运动定律可得FN－mg＝ma，解得FN＝1.2mg，故C正确。 1．下列有关超重和失重的说法，正确的是(　　)A．物体处于超重状态时，所受重力增大；处于失重状态时，所受重力为零B．自由落体运动的物体处于完全失重状态C．在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时，升降机一定处于上升过程D．在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时，升降机一定处于下降过程解析：选B　当物体对悬挂物的拉力或对支撑面的压力大于它本身的重力时，是超重现象；当物体对悬挂物的拉力或对支撑面的压力小于它本身的重力时，是失重现象。超重和失重时，物体本身的重力没变，故A错误；自由落体运动的物体的加速度为g，方向竖直向下，处于完全失重状态，故B正确；在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时，加速度的方向向下，运动方向可能向上，也可能向下，故C、D错误。2．(多选)有一种大型娱乐器械可以让人体验超重和失重，其环形座舱套在竖直柱子上(如图所示)，由升降机送上几十米的高处，然后让座舱自由下落。落到一定位置时，制动系统启动，座舱做减速运动，到地面时刚好停下。下列说法正确的是(　　)A．座舱自由下落的过程中人处于超重状态B．座舱自由下落的过程中人处于失重状态C．座舱减速下落的过程中人处于超重状态D．座舱下落的整个过程中人处于失重状态解析：选BC　在自由下落的过程中人只受重力作用，做自由落体运动，处于失重状态，故选项A错误，选项B正确；在减速运动的过程中人受重力和座位对人向上的支持力，做减速运动，所以加速度向上，人处于超重状态，故选项C正确，选项D错误。3．某同学站在电梯内的水平地板上，利用速度传感器研究电梯的升降过程。取竖直向上为正方向，电梯在某一段时间内速度的变化情况如图所示。根据图像提供的信息，下列说法正确的是(　　)A．在0～5 s内，电梯加速上升，该同学处于失重状态B．在5～10 s内，该同学对电梯地板的压力小于其重力C．在10～20 s内，电梯减速上升，该同学处于超重状态D．在20～25 s内，电梯加速下降，该同学处于失重状态解析：选D　在0～5 s内，电梯加速上升，加速度方向向上，该同学处于超重状态，故A错误。在5～10 s内，电梯加速度为零，该同学对电梯地板的压力大小等于其重力，故B错误。在10～20 s内，电梯减速上升，加速度方向向下，该同学处于失重状态，故C错误。在20～25 s内，电梯加速下降，加速度方向向下，该同学处于失重状态，故D正确。4．(多选)在太空空间站中，一切物体均处于完全失重状态，下列测量中，在太空空间站内不能做到的是(　　)A．用弹簧测力计测物体的重力B．用弹簧测力计测拉力C．用天平测物体的质量D．用温度计测物体的温度解析：选AC　在太空空间站中，一切物体均处于完全失重状态，所以一切由重力产生的现象都会消失。当物体挂在弹簧测力计下端时，物体对弹簧测力计的拉力为零，所以不能用弹簧测力计来测物体的重力。将物体和砝码分别放在天平左右两盘时，物体和砝码对盘的压力均为零，所以不能用天平来测量物体的质量。所以A、C符合题意。弹簧测力计的工作原理是弹簧的拉力与弹簧伸长的长度成正比，温度计是根据物体的热胀冷缩的原理工作的，这些与物体的重力都无关，所以B、D不符合题意。故选A、C。5．举重运动员在地面上能举起120 kg的重物，而在运动着的升降机中却只能举起100 kg的重物，求升降机运动的加速度。若在以2.5 m/s2的加速度加速下降的升降机中，此运动员能举起质量多大的重物？(g取10 m/s2)解析：运动员在地面上能举起120 kg的重物，则运动员给重物向上的最大支持力F＝m1g＝120×10 N＝1 200 N，运动员在运动着的升降机中只能举起100 kg的重物，可见该重物超重，升降机应具有向上的加速度，对重物，有F－m2g＝m2a1，所以a1＝＝ m/s2＝2 m/s2；当升降机以2.5 m/s2的加速度加速下降时，重物失重，对于重物，有m3g－F＝m3a2，得m3＝＝ kg＝160 kg。答案：2 m/s2，方向向上　160 kg