新教材高中物理第5章牛頓運動定律第5節(jié)超重與失重學(xué)案

第5節(jié)超重與失重課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.進一步理解測量重力的方法。2.理解物體出現(xiàn)超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì)原因。3.能利用超重和失重的現(xiàn)象解決一些生活中的實際問題。1.物理觀念:能利用牛頓運動定律解釋生產(chǎn)生活中的相關(guān)現(xiàn)象、解決一些實際問題。2.科學(xué)思維:能用牛頓運動定律相關(guān)的證據(jù)表達自己的觀點;具有質(zhì)疑和創(chuàng)新的意識。3.科學(xué)探究:經(jīng)歷實驗探究的過程,觀察并體驗超重和失重現(xiàn)象。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:將物理知識與生活現(xiàn)象緊密聯(lián)系,讓學(xué)生學(xué)會觀察生活,知道物理就在身邊。要點一超重現(xiàn)象物理學(xué)中把物體對懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?大于物體所受重力的現(xiàn)象稱為超重?現(xiàn)象。要點二失重現(xiàn)象物理學(xué)中把物體對懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?小于物體所受重力的現(xiàn)象稱為失重?現(xiàn)象。人們乘電梯加速下降時,就處于失重狀態(tài)。若豎直向下的加速度大小正好等于重力加速度g,人對座椅的壓力N=0,這稱為完全失重?現(xiàn)象。?以下對超重概念的理解哪些是正確的? ()A.在上升的電梯中物體就處于超重狀態(tài)B.在下降的電梯中的物體也可能處于超重狀態(tài)C.物體在傾斜面運動時不可能處于超重狀態(tài)提示B物體處于超重狀態(tài)的標(biāo)志是豎直方向有向上的加速度,比如減速下降。?對失重的理解判斷正誤。(1)失重時,就是物體重力變小了。 ()(2)物體向上減速運動時處于失重狀態(tài)。 ()(3)物體勻速下落時處于失重狀態(tài)。 ()提示(1)×(2)√(3)×?對完全失重理解正確的是 ()A.完全失重狀態(tài)下的物體,重力完全消失了B.在太空中,宇航員處于完全失重狀態(tài),所以說宇航員在太空中不受重力作用C.物體拋出后只在重力作用下的運動狀態(tài)就是完全失重狀態(tài)提示C完全失重狀態(tài)下的物體所受重力沒有改變。1.對超重、失重的理解(1)物體超重或失重時,只是物體對懸掛物的拉力或?qū)λ街С治锏膲毫Πl(fā)生了變化,物體本身的重力并沒有改變。(2)超重或失重是由物體加速度的方向決定的,與速度方向無關(guān)。(3)加速度向上的兩種運動狀態(tài):加速上升或減速下降,加速度向下的兩種運動狀態(tài):加速下降或減速上升。2.對完全失重的理解(1)完全失重是物體的視重為零,對支持物的壓力(或懸掛物的拉力)為零,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,比如物體對支持物無壓力、擺鐘將停止擺動、靠重力使用的儀器也不能再使用(如天平)。(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運動等,物體在空中只受重力的運動,其加速度等于g,物體處于完全失重狀態(tài)。探究點一超重和失重現(xiàn)象1.如圖所示,在彈簧測力計下懸掛一個重物,處于靜止?fàn)顟B(tài),那么彈簧測力計的示數(shù)指的是什么?提示重物的重力。2.若手提彈簧測力計向上加速運動,測力計的示數(shù)如何變化?重物的重力增大了嗎?提示示數(shù)增大,重物的重力不變。3.若手提彈簧測力計向下加速運動,測力計的示數(shù)如何變化?重物的重力增大了嗎?提示示數(shù)減小,重物的重力不變。1.超失重實質(zhì)超重實質(zhì):物體處于超重狀態(tài)時,物體的重力并沒有發(fā)生變化,只是因為豎直方向上有向上的加速度,物體對水平支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?相對平衡狀態(tài)時增大了,出現(xiàn)了“視重”大于“實重”的現(xiàn)象。失重實質(zhì):物體處于失重狀態(tài)時,物體的重力并沒有發(fā)生變化,只是因為豎直方向上有向下的加速度,物體對水平支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?相對平衡狀態(tài)時減小了,出現(xiàn)了“視重”小于“實重”的現(xiàn)象。2.完全失重當(dāng)物體對支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?等于零時,我們稱物體處于完全失重狀態(tài)。實質(zhì)原因為物體豎直向下的加速度等于重力加速度。例原地起跳摸高是籃球和羽毛球重要的訓(xùn)練項目之一,訓(xùn)練過程中,運動員先由靜止下蹲一段位移,經(jīng)過充分調(diào)整后,發(fā)力跳起摸到一定的高度,關(guān)于摸高整個過程中的失重與超重,下列說法正確的是 ()A.下蹲階段先超重后失重,上升階段先超重后失重B.下蹲階段先失重后超重,上升階段先超重后失重C.下蹲階段先失重后超重,上升階段先失重后超重D.下蹲階段先超重后失重,上升階段先失重后超重答案B下蹲階段從靜止開始運動到最低點靜止,先加速后減速,加速度先向下后向上,先失重后超重;上升階段先從靜止開始加速上升,加速度向上處于超重狀態(tài),離開地面后做豎直上拋運動,加速度向下處于失重狀態(tài)。故選B。解題感悟判斷超重、失重的方法(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,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(dāng)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g時處于完全失重狀態(tài)。(3)方法口訣:超重與失重,全由加速度的方向定,向上為超重,向下為失重。1.高蹺運動是一項新型運動,圖甲為彈簧高蹺。當(dāng)人抓住扶手用力蹬蹌踏板拉伸彈簧后,人會向上彈起,進而帶動高蹺跳躍,如圖乙所示。不計空氣阻力,下列說法正確的是 ()A.彈簧拉伸到最低點時,高蹺對地面的壓力等于人和高蹺到的總重力B.人從最低點向上彈起的過程中,踏板對人的作用力一定大于人對踏板的作用力C.人從最低點向上彈起到最高點的過程中,先處于超重狀態(tài),后處于失重狀態(tài)D.人從最高點下落至最低點的過程中,先做勻加速運動后做勻減速運動答案C彈簧拉伸到最低點時,彈力大于重力,加速度方向向上,人和高蹺處于超重狀態(tài),高蹺對地面的壓力大于人和高蹺的總重力,A錯誤;踏板對人的作用力和人對踏板的作用力是一對作用力和反作用力,它們大小相等,方向相反,B錯誤;人從最低點向上彈起到最高點的過程中,彈力先大于重力,加速度方向向上,人處于超重狀態(tài),然后彈力小于重力,人處于失重狀態(tài),C正確;人從最高點下落到最低點的過程中,彈力是變化的,合力是變化的,做變加速運動,D錯誤。2.體育課上某同學(xué)做引體向上。他兩手握緊單杠,雙臂豎直,身體懸垂;接著用力上拉使下顎超過單杠(身體無擺動);然后使身體下降,最終懸垂在單杠上。下列說法正確的是 ()A.在上升過程中單杠對人的作用力始終大于人的重力B.在下降過程中單杠對人的作用力始終小于人的重力C.若增大兩手間的距離,最終懸垂時單臂的拉力不變D.若增大兩手間的距離,最終懸垂時單臂的拉力變大答案D人在上升過程中,由于身體先做加速運動,后做減速運動,人先處于超重狀態(tài),后處于失重狀態(tài),單杠對人的作用力先大于人的重力,后小于人的重力,A錯誤。同理,人在下降過程中,身體先做加速運動,后做減速運動,人先處于失重狀態(tài),后處于超重狀態(tài),單杠對人的作用力先小于人的重力,后大于人的重力,B錯誤。根據(jù)力的合成法則知,當(dāng)增大兩手間的距離,即增大兩拉力的夾角時,因拉力的合力不變,則單臂的拉力變大,故C錯誤,D正確。探究點二超重和失重分析1.超失重現(xiàn)象的狀態(tài)及受力分析特征狀態(tài)加速度視重(F)與重力的關(guān)系運動情況受力示意圖平衡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(ga)<mg向下加速或向上減速完全失重向下a=gF=0豎直上拋運動、自由落體運動等2.超重和失重問題的解題步驟(1)確定研究對象,并對其進行受力分析,畫出受力示意圖;(2)分析物體的運動狀態(tài),確定加速度的方向,并在受力示意圖旁邊標(biāo)出;(3)選取加速度的方向為正方向,根據(jù)牛頓第二定律列方程;(4)解方程,得到物體所受懸掛物的拉力或支持面的支持力;(5)根據(jù)加速度的方向判定物體處于超重還是失重狀態(tài)(若加速度向上超重,加速度向下失重)。1.(多選)某同學(xué)站在壓力傳感器上完成下蹲動作,如圖為傳感器記錄的壓力隨時間變化的情況,橫坐標(biāo)表示時間,縱坐標(biāo)表示壓力。重力加速度取10m/s2,下列說法正確的是 ()A.a點對應(yīng)該同學(xué)所受合外力方向向上B.b點對應(yīng)該同學(xué)所受合外力方向向上C.該同學(xué)的質(zhì)量為50kgD.下蹲過程中該同學(xué)始終處于失重狀態(tài)答案BC該同學(xué)下蹲過程分別有失重和超重兩個狀態(tài),先是加速下降,到達一個最大速度后再減速下降,對應(yīng)先失重再超重,到達最低點后處于平衡狀態(tài),所以在a點該同學(xué)處于失重狀態(tài),該同學(xué)所受合外力方向向下,在b點該同學(xué)處于超重狀態(tài),該同學(xué)所受合外力方向向上,A、D錯誤,B正確;開始時該同學(xué)處于平衡狀態(tài),傳感器記錄的壓力等于該同學(xué)的重力G,則由G=mg知該同學(xué)的質(zhì)量m=50kg,故C正確。2.(★)(多選)某同學(xué)用臺秤研究在電梯中的超失重現(xiàn)象,在地面上稱得其體重為500N,再將臺秤移至電梯內(nèi)稱其體重,電梯從t=0時由靜止開始運動,到t=11s時停止,得到臺秤的示數(shù)F隨時間t的變化情況如圖所示(g=10m/s2)。則 ()A.電梯為下降過程B.在10~11s內(nèi)電梯的加速度大小為2m/s2C.F3的示數(shù)為550ND.電梯運行的總位移為19m答案ABD0~2s內(nèi)電梯支持力小于重力,合力向下,加速度向下,初始為靜止,所以0~2s電梯為勻加速下降。2~10s內(nèi)支持力等于重力,平衡狀態(tài),保持2s末的速度做勻速直線運動,10~11s支持力大于重力,合力向上,由于之前的速度方向向下,所以此階段向下勻減速,選項A對。勻加速階段加速度a=G-FNG/g=1m/s2,2s末的速度v2=at1=2m/s,此階段位移x1=12at12=2m,勻速階段位移x2=v2t2=16m,勻減速階段時間t'=1s,初速度為2s末的速度,末速度等于0,所以可得此階段加速度大小a'=v2t'=2m/s2,根據(jù)牛頓第二定律FN'G=ma'=Gga',得此時的支持力FN'=600N,即F3=600N,此階段位移x3=1.下列漫畫描繪了超失重的現(xiàn)象,若圖a表示電梯靜止或者勻速運動的情形,那么圖b、圖c分別表示電梯在如何運動,下列說法正確的是 ()A.圖b可能表示電梯向上做減速運動B.圖b可能表示電梯向上做加速運動C.圖c可能表示電梯向上做加速運動D.圖c可能表示電梯向下做減速運動答案B圖b中圖案被壓扁了,是超重,加速度向上,可能向上做加速運動,也可能向下做減速運動,B正確,A錯誤;圖c中圖案被拉長了,是失重,加速度向下,可能向下做加速運動,也可能向上做減速運動,C、D錯誤。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,如圖中a點是彈性繩的原長位置,c點是人所能到達的最低點,b點是人靜止地懸吊著的平衡位置。人從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,其加速度為零答案AB人在Pa段做自由落體運動,處于完全失重狀態(tài),A正確;在ab段繩的拉力小于人的重力,人的加速度向下,則人處于失重狀態(tài),B正確;在bc段繩的拉力大于人的重力,加速度向上,則人處于超重狀態(tài),C錯誤;在c點,人的速度為零,但加速度不為零,D錯誤。3.(★)圖甲是某人站在接有傳感器的力板上做下蹲、起跳和回落動作的示意圖,圖中的小黑點表示人的重心。圖乙是力板所受壓力隨時間變化的圖像,取重力加速度g=10m/s2。根據(jù)圖像分析可知 ()A.人的重力可由b點讀出,約為280NB.b到c的過程中,人先處于超重狀態(tài)再處于失重狀態(tài)C.f點是人在雙腳離開力板的過程中,上升最高的點D.人在b點對應(yīng)時刻的加速度小于在c點對應(yīng)時刻的加速度答案D開始時人處于平衡狀態(tài),人對傳感器的壓力約為900N,人的重力也約為900N,A錯誤;由題圖乙所示圖像可知,從b到c的過程中,人對力板的壓力先小于自身重力后大于自身重力,因此人先處于失重狀態(tài)后處于超重狀態(tài),B錯誤;若圖中f點為雙腳離開力板的過程中,上升到的最高點,則此時雙腳對板無壓力,故傳感器顯示為0,與題圖乙中所表述的力的大小不符,C錯誤;由題圖乙所示圖像可知,在b點人對力板的壓力約為300N,力板對人的支持力約為300N,人所受合力約為900N300N=600N,在c點,人對力板的壓力約為2000N,力板對人的支持力約為2000N,人受到的合力約為2000N900N=1100N,人在b點受到的合力小于在c點受到的合力,由牛頓第二定律可知,人在b點的加速度大小小于在c點的加速度大小,故D正確。失重中有一種特殊現(xiàn)象——完全失重,所謂完全失重是物體的視重為零,也就是說,在物體在做自由落體運動時,如果你去稱它的重量,視重為0,其原因是物體具有向下的加速度,而且其全部重力都提供了物體向下的加速度。同樣衛(wèi)星中的物體與衛(wèi)星做同樣的圓周運動,重力提供向心力。2013年我國宇航員在完全失