2023-2024學(xué)年新教材高中物理第四章牛頓運動定律第六節(jié)失重和超重學(xué)案粵教版必修第一冊

第六節(jié)失重和超重學(xué)習(xí)目標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）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）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艙內(nèi)，物體處于完全失重狀態(tài)知識點超重和失重1.幾個概念.（1）超重：物體對支持物的壓力（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：如果物體對支持物、懸掛物完全沒有作用力，這時物體正好以大小等于g、方向豎直向下的加速度運動，此時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，即視重小于實重.完全失重：物體對支持物（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，處于超重狀態(tài).根據(jù)牛頓第二定律：FN－mg＝ma，此時FN>mg，即處于超重狀態(tài).②當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，處于失重狀態(tài).根據(jù)牛頓第二定律：mg－FN＝ma，此時FN<mg，即處于失重狀態(tài).③當物體的加速度為g時，處于完全失重狀態(tài)，根據(jù)牛頓第二定律：mg－FN＝ma，此時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探究一對超重和失重現(xiàn)象的理解1.實重與視重.實重：物體實際所受的重力.物體所受重力不會因物體運動狀態(tài)的改變而變化.視重：當將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(shù)稱為“視重”，大小等于彈簧測力計所受的拉力或臺秤所受的壓力.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動，與運動方向無關(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動，與運動方向無關(guān).完全失重的條件：物體只在重力作用下運動，與運動方向無關(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，下列說法正確的是（）A.火箭加速上升時，宇航員處于超重狀態(tài)B.飛船落地前減速下落時，宇航員處于失重狀態(tài)C.火箭加速上升時，宇航員對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，宇航員處于失重狀態(tài)解析：火箭加速上升時，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)，對座椅的壓力大于自身重力，選項A正確，C錯誤；飛船落地前減速下落時，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B錯誤；火箭加速上升過程中加速度逐漸減小時，加速度方向向上，宇航員處于超重狀態(tài)，選項D錯誤.答案：A判斷超重和失重現(xiàn)象的三個技巧（1）從受力的角度判斷，當物體所受向上的拉力（或支持力）大于重力時，物體處于超重狀態(tài)；小于重力時處于失重狀態(tài)，等于零時處于完全失重狀態(tài).（2）從加速度的角度判斷，當物體具有向上的加速度時處于超重狀態(tài)，具有向下的加速度時處于失重狀態(tài)，向下的加速度為重力加速度時處于完全失重狀態(tài).（3）從速度變化角度判斷.①物體向上加速或向下減速時，超重；②物體向下加速或向上減速時，失重.1.如圖所示，在教室里某同學(xué)在體重計上研究超重與失重.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)于她的實驗現(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，人先向下做加速運動，后向下做減速運動，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，先向上做加速運動，后向上做減速運動，最后回到靜止狀態(tài)，人先處于超重狀態(tài)后處于失重狀態(tài)，故A、B、C錯誤，D正確.答案：D2.升降機里有一個用彈簧測力計懸掛著的重物，以下說法中正確的是（）A.彈簧測力計的示數(shù)在升降機下降時比上升時要小B.彈簧測力計的示數(shù)在升降機加速運動時比勻速運動時要小C.彈簧測力計的示數(shù)總等于重物對彈簧測力計的作用力大小D.不論升降機怎樣運動，彈簧測力計的示數(shù)始終等于重物的重力解析：當升降機加速上升或減速下降時，處于超重狀態(tài)，彈簧測力計的示數(shù)要比重物的重力大；當升降機減速上升或加速下降時，處于失重狀態(tài)，彈簧測力計的示數(shù)要比重物的重力小；升降機勻速運動時，彈簧測力計的示數(shù)等于重物的重力，故A、B、D錯誤.根據(jù)牛頓第三定律可知彈簧測力計的示數(shù)總等于重物對彈簧測力計的作用力大小，故C正確.答案：C探究二對完全失重的理解1.完全失重是物體的視重為零，對支持物或懸掛物的壓力或拉力為零.根據(jù)mg－FN＝ma知，當FN＝0時，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，與重力有關(guān)的一切現(xiàn)象都將消失.比如液體的壓強、浮力將為零；水銀壓強計、天平將無法使用；擺鐘停擺；彈簧測力計不能測重力等.3.只受重力作用的一切拋體運動，如我們學(xué)過的自由落體運動和豎直上拋、平拋、斜拋運動等，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是人所到達的最低點，b是人靜止地懸吊著時的平衡位置，人在從P點落下到最低點c的過程中（）A.人在Pa段做自由落體運動，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，人的速度為零，其加速度為零解析：由于在b點時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點時速度為零，加速度不為零.答案：AB3.某同學(xué)找了一個用過的易拉罐，在靠近底部的側(cè)面打了一個小孔，用手指按住小孔的同時往罐里裝滿水，然后將易拉罐向上拋出，運動過程中罐底始終向下，空氣阻力不計.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相同D.在易拉罐上升、下降過程中，水都不會從小孔中射出解析：將易拉罐豎直向上拋出后，由于空氣阻力不計，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，水都不會從小孔射出，故A、B、C錯誤，D正確.答案：D探究三用牛頓運動定律分析超重和失重現(xiàn)象1.超重、失重的分析.項目加速度視重（F）與重力的關(guān)系運動情況受力圖平衡a＝0F＝mg靜止或勻速直線運動超重向上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拋體運動、自由落體運動、衛(wèi)星的運動等2.求解超重與失重問題的基本思路.超重和失重問題實質(zhì)上就是牛頓第二定律應(yīng)用的延續(xù)，解題時仍應(yīng)抓住加速度這個關(guān)鍵量.具體方法是：（1）分析物體運動的加速度方向.（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，電梯靜止時，曉敏站在體重計上，體重計的示數(shù)為50kg.電梯運動過程中，有一段時間內(nèi)曉敏發(fā)現(xiàn)體重的計示數(shù)如圖所示，在這段時間內(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)，方向一定豎直向下解析：體重計示數(shù)是40kg，示數(shù)小于體重，說明曉敏對體重計的壓力小于重力，并不是體重變小，故A錯誤，曉敏對體重計的壓力和體重計對曉敏的支持力是一對作用力與反作用力，大小相等，故B錯誤；電梯做向上的減速運動也會是失重狀態(tài)，示數(shù)小于其重力，故C錯誤；以人為研究對象，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”動作，計算機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”動作，再完成“站起”動作C.“站起”過程一直處于超重狀態(tài)D.整個過程的最大加速度約為4m/s2解析：開始時小明處于平衡狀態(tài)，小明對傳感器的壓力是500N，則小明的重力約為500N，體重約為50kg，故A錯誤；小明下蹲動作分別有失重和超重兩個過程，先是加速下降失重（小于自身重力），到達一個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過程，先是加速上升超重（大于自身重力），到達一個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”動作，再完成“站起”動作，故B正確，C錯誤；由題圖可知，小明對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)的體重計上.電梯從t＝0時刻由靜止開始下降，在0～6s內(nèi)體重計示數(shù)F的變化如圖所示.試求：這段時間內(nèi)電梯下降的高度（重力加速度g取10m/s2）.解析：由題圖可知，在第一段時間0～1s內(nèi)，t1＝1s，電梯向下勻加速運動，mg－F1＝ma1，解得a1＝2m/s2，電梯下降的高度h1＝eq\f(1,2)a1teq\o\al(2,1)＝1m.在第二段時間1～4s內(nèi)，t2＝3s，電梯向下勻速運動，速度為v＝a1t1＝2m/s，下降高度h2＝vt2＝6m.在第三段時間4～6s內(nèi)，t3＝2s，電梯向下勻減速運動，F(xiàn)2－mg＝ma2，解得a2＝1m/s2.下降高度h3＝vt3－eq\f(1,2)a2teq\o\al(2,3)＝2m.所以，在整個過程中，電梯下降的總高度h＝h1＋h2＋h3＝9m.答案：9m課時評價作業(yè)（二十三）失重和超重A級合格達標1.在阿塞拜疆巴庫舉行的2021年蹦床世錦賽中，中國選手嚴浪宇斬獲男子網(wǎng)上個人金牌，曹云珠摘得女子網(wǎng)上個人銀牌.蹦床模型如圖所示.下列關(guān)于運動員的描述正確的是（）A.離網(wǎng)下降的過程中一直處于失重B.離網(wǎng)上升的過程中一直處于超重C.觸網(wǎng)下降的過程中一直處于失重D.觸網(wǎng)上升的過程中一直處于超重解析：離網(wǎng)運動階段，運動員只受重力作用，具有豎直向下的加速度，處于失重狀態(tài).故A正確，B錯誤；觸網(wǎng)運動階段，運動員受重力和彈力共同作用，由牛頓第二定律可知，其加速度方向與合力方向一致，即重力大于彈力階段加速度豎直向下，重力小于彈力階段加速度豎直向上.故C、D錯誤.故選A.答案：A2.如圖所示，在“天宮課堂”中，航天員王亞平將乒乓球完全浸沒在水中，乒乓球停留在了水中.合理的解釋是（）A.乒乓球不受任何力的作用B.在太空，乒乓球的慣性變大C.在太空失重環(huán)境下，乒乓球的浮力幾乎消失D.在太空失重環(huán)境下，乒乓球受到地球引力為零解析：在太空中乒乓球仍受地球的引力作用，故A、D錯誤；慣性只與質(zhì)量有關(guān)，乒乓球質(zhì)量不變，則在太空乒乓球的慣性不變，故B錯誤；在太空中乒乓球處于完全失重狀態(tài)，和重力有關(guān)的一切現(xiàn)象會消失，則在太空失重環(huán)境下浮力幾乎消失，故C正確.故選C.答案：C3.（多選）超重和失重現(xiàn)象可以用牛頓第二定律加以解釋.如圖所示，在上端開口的飲料瓶的側(cè)面戳一個小孔，瓶中灌水，手持飲料瓶靜止時，小孔有水噴出.飲料瓶在下列運動中，小孔不再向外噴水的是（設(shè)飲料瓶沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動且忽略空氣阻力）（）A.自由下落B.飲料瓶被水平拋出后的運動過程中C.飲料瓶被豎直向上拋出后的運動過程中D.手持飲料瓶向上勻速運動的過程中解析：飲料瓶自由下落、平拋以及在空中做拋體運動時，均只受到重力的作用，加速度為g，處于完全失重狀態(tài)，此時水和容器的運動狀態(tài)相同，它們之間沒有相互作用，水不會流出，故A、B、C正確；手持飲料瓶向上勻速運動的過程中，由于水處于平衡狀態(tài)，故水之間存在壓力，水會向外噴出，故D錯誤.答案：ABC4.如圖所示是火箭點火發(fā)射的某一瞬間.下列說法一定正確的是（）A.火箭受重力、空氣的推力、空氣阻力作用B.火箭加速升空過程中處于失重狀態(tài)C.發(fā)動機噴出氣體對火箭的作用力和火箭所受的重力是一對平衡力D.發(fā)動機噴出氣體對火箭的作用力與火箭對噴出氣體的作用力的大小相等解析：火箭點火的瞬間，火箭受重力、發(fā)動機噴出氣體對火箭的作用力，故A錯誤；火箭加速升空過程中處于超重狀態(tài)，故B錯誤；由于火箭加速升空，所以發(fā)動機噴出氣體對火箭的作用力比火箭所受的重力更大，故C錯誤；發(fā)動機噴出氣體對火箭的作用力與火箭對噴出氣體的作用力為一對作用力與反作用力，所以大小相等，故D正確.答案：D5.2021年6月17日，據(jù)中國載人航天工程辦公室最新消息，本次發(fā)射的“神舟十二號”宇宙飛船攜有三名航天員.航天員在正常繞地飛行的飛船中可以完成下列哪個實驗（）A.用天平稱量物體的質(zhì)量B.做托里拆利實驗C.驗證阿基米德定律D.用兩個彈簧測力計驗證牛頓第三定律解析：飛船處于完全失重狀態(tài)，一切由重力引起的現(xiàn)象不再發(fā)生，工作原理涉及重力的儀器不能再使用，彈簧測力計的原理是胡克定律，完全失重情況下也可以使用.答案：D6.（多選）為了節(jié)省能量，某商場安裝了智能化的電動扶梯，無人乘行時，扶梯沿著扶梯所在的斜面運轉(zhuǎn)得很慢，有人站上扶梯時，它會先沿斜面慢慢加速，再勻速運轉(zhuǎn).一顧客乘扶梯上樓，恰好經(jīng)歷了這兩個過程，如圖所示.下列說法中正確的是（）A.顧客全程始終受到三個力的作用B.在勻速過程中，顧客只受2個力作用C.在加速過程中，顧客處于超重狀態(tài)D.在加速過程中，扶梯對顧客的作用力沿斜面向上解析：在勻速階段，根據(jù)平衡條件可知，顧客只受重力和支持力兩個力的作用，故A錯誤，B正確.在加速過程中，加速度有向上的分量，所以顧客處于超重狀態(tài)，扶梯對顧客的作用力與重力的合力提供了顧客的加速度，因為加速度沿著斜面，所以扶梯對顧客的作用力一定不沿斜面向上，故C正確，D錯誤.答案：BCB級等級提升7.某次救災(zāi)學(xué)習(xí)中，救援直升機懸停在空中，機上工作人員將裝有救災(zāi)物資的箱子投出，已知箱子下落的初速度為零，下落過程中所受空氣阻力不計.下落過程中，箱子始終保持投放時的狀態(tài)，以下說法正確的是（）A.物資處于超重狀態(tài)B.物資僅受重力作用C.物資受箱子的支持力逐漸減小D.由靜止開始，箱子在持續(xù)相同時間內(nèi)的位移比為1∶2∶3…解析：箱子在空中只受重力作用，加速度為g，方向豎直向下，處于完全失重狀態(tài)，物資與箱子之間沒有相互作用力，A、C錯誤，B正確；初速度為零的勻加速直線運動，在連續(xù)相等時間內(nèi)的位移之比為1∶3∶5…，D錯誤.答案：B8.某同學(xué)站在電梯底板上，如圖所示的v-t圖像是計算機顯示的電梯在某一段時間內(nèi)速度變化的情況（取豎直向上為正方向）.根據(jù)圖像提供的信息，可以判斷下列說法中正確的是（）A.在0～20s內(nèi)，電梯向上運動，該同學(xué)處于超重狀態(tài)B.在0～5s內(nèi)，電梯在加速上升，該同學(xué)處于失重狀態(tài)C.在5～10s內(nèi)，電梯處于勻速狀態(tài)，該同學(xué)對電梯底板的壓力等于他所受的重力D.由于物體的質(zhì)量未知，所以無法判斷超重、失重狀態(tài)解析：在0～5s內(nèi)，電梯在加速上升，該同學(xué)對電梯底板的壓力大于他所受的重力處于超重狀態(tài)，B錯誤；在5～10s內(nèi)，電梯處于勻速狀態(tài)，此時該同學(xué)受力平衡，對電梯底板的壓力等于他所受的重力，C正確；在10～20s內(nèi)，電梯在減速上升，該同學(xué)對電梯底板的壓力小于他所受的重力，故處于失重狀態(tài)，A、D錯誤.答案：C9.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(shè)運動員僅在豎直方向運動，且不計空氣阻力，g取10m/s2，依據(jù)圖像給出的物理信息，可得（）A.運動員上升的最