2023-2024学年新教材高中物理第四章牛顿运动定律第六节失重和超重学案粤教版必修第一册

第六节失重和超重学习目标STSE情境导学1.知道超重和失重，理解产生超重、失重现象的条件.（重点）2.理解生活中的超重和失重现象，并能分析解决相关物理问题.（难点）火箭在发射过程中处于超重状态在自由向下俯冲的飞机舱内，物体处于完全失重状态知识点超重和失重1.几个概念.（1）超重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，称为超重现象.（2）失重：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象，称为失重现象.（3）完全失重：如果物体对支持物、悬挂物完全没有作用力，这时物体正好以大小等于g、方向竖直向下的加速度运动，此时物体处于完全失重状态.2.判断物体超重与失重的方法.（1）从受力的角度判断.超重：物体所受向上的拉力（或支持力）大于（选填“大于”或“小于”）重力，即视重大于实重.失重：物体所受向上的拉力（或支持力）小于（选填“大于”或“小于”）重力，即视重小于实重.完全失重：物体对支持物（或悬挂物）的压力（或拉力）为零，即视重为零.（2）从加速度的角度判断.①当物体的加速度方向向上（选填“向上”或“向下”）[或竖直分量向上（选填“向上”或“向下”）]时，处于超重状态.根据牛顿第二定律：FN－mg＝ma，此时FN>mg，即处于超重状态.②当物体的加速度方向向下（选填“向上”或“向下”）[或竖直分量向下（选填“向上”或“向下”）]时，处于失重状态.根据牛顿第二定律：mg－FN＝ma，此时FN<mg，即处于失重状态.③当物体的加速度为g时，处于完全失重状态，根据牛顿第二定律：mg－FN＝ma，此时FN＝0，即a＝g.小试身手关于超重和失重，下列说法正确的是（）A.超重就是物体受的重力增加了B.失重就是物体受的重力减少了C.完全失重就是物体一点重力都没有了D.不论超重、失重，物体所受的重力是不变的答案：D探究一对超重和失重现象的理解1.实重与视重.实重：物体实际所受的重力.物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化.视重：当将物体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.超重与失重仅仅是一种表象，所谓超重与失重，只是拉力（或支持力）的增大与减小，是视重的改变，物体的实重始终未变.3.超重和失重的条件.产生超重现象的条件：物体具有向上的加速度，即做加速上升或减速下降运动，与运动方向无关.产生失重现象的条件：物体具有向下的加速度，即做加速下降或减速上升运动，与运动方向无关.完全失重的条件：物体只在重力作用下运动，与运动方向无关.总结：超重与失重，全由a的方向决定，向上为超重，向下为失重.【典例1】2021年我国共发射火箭55枚，发射次数荣登世界第一.宇航员在火箭发射（如图）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，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，对座椅的压力大于自身重力，选项A正确，C错误；飞船落地前减速下落时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，选项B错误；火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，加速度方向向上，宇航员处于超重状态，选项D错误.答案：A判断超重和失重现象的三个技巧（1）从受力的角度判断，当物体所受向上的拉力（或支持力）大于重力时，物体处于超重状态；小于重力时处于失重状态，等于零时处于完全失重状态.（2）从加速度的角度判断，当物体具有向上的加速度时处于超重状态，具有向下的加速度时处于失重状态，向下的加速度为重力加速度时处于完全失重状态.（3）从速度变化角度判断.①物体向上加速或向下减速时，超重；②物体向下加速或向上减速时，失重.1.如图所示，在教室里某同学在体重计上研究超重与失重.她由稳定的站姿变化到稳定的蹲姿称为“下蹲”过程，由稳定的蹲姿变化到稳定的站姿称为“起立”过程.关于她的实验现象，下列说法中正确的是（）A.只有“起立”过程，才能出现失重的现象B.只有“下蹲”过程，才能出现超重的现象C.“下蹲”的过程，先出现超重现象后出现失重现象D.“起立”“下蹲”的过程，都能出现超重和失重的现象解析：下蹲过程中，人先向下做加速运动，后向下做减速运动，所以先处于失重状态后处于超重状态；人从下蹲状态站起来的过程中，先向上做加速运动，后向上做减速运动，最后回到静止状态，人先处于超重状态后处于失重状态，故A、B、C错误，D正确.答案：D2.升降机里有一个用弹簧测力计悬挂着的重物，以下说法中正确的是（）A.弹簧测力计的示数在升降机下降时比上升时要小B.弹簧测力计的示数在升降机加速运动时比匀速运动时要小C.弹簧测力计的示数总等于重物对弹簧测力计的作用力大小D.不论升降机怎样运动，弹簧测力计的示数始终等于重物的重力解析：当升降机加速上升或减速下降时，处于超重状态，弹簧测力计的示数要比重物的重力大；当升降机减速上升或加速下降时，处于失重状态，弹簧测力计的示数要比重物的重力小；升降机匀速运动时，弹簧测力计的示数等于重物的重力，故A、B、D错误.根据牛顿第三定律可知弹簧测力计的示数总等于重物对弹簧测力计的作用力大小，故C正确.答案：C探究二对完全失重的理解1.完全失重是物体的视重为零，对支持物或悬挂物的压力或拉力为零.根据mg－FN＝ma知，当FN＝0时，a＝g，即处于完全失重的物体具有竖直向下、大小为g的加速度.2.发生完全失重现象时，与重力有关的一切现象都将消失.比如液体的压强、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.3.只受重力作用的一切抛体运动，如我们学过的自由落体运动和竖直上抛、平抛、斜抛运动等，物体在空中只受重力的作用，其加速度等于g，物体都处于完全失重状态.【典例2】（多选）“蹦极”是一项非常刺激的体育运动.某人身系弹性绳自高空P点自由下落，图中a点是弹性绳的原长位置，c是人所到达的最低点，b是人静止地悬吊着时的平衡位置，人在从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，人的速度为零，其加速度为零解析：由于在b点时重力与绳的拉力平衡，则人在ab段重力与拉力的合力的方向向下，产生向下的加速度，则人处于失重状态，在bc段处于超重状态，在c点时速度为零，加速度不为零.答案：AB3.某同学找了一个用过的易拉罐，在靠近底部的侧面打了一个小孔，用手指按住小孔的同时往罐里装满水，然后将易拉罐向上抛出，运动过程中罐底始终向下，空气阻力不计.下列说法正确的是（）A.在易拉罐上升过程中，小孔中有水射出，水射出比罐静止时慢B.在易拉罐下降过程中，小孔中有水射出，水射出比罐静止时快C.在易拉罐上升、下降过程中，小孔中射出水的快慢都和罐静止时相同D.在易拉罐上升、下降过程中，水都不会从小孔中射出解析：将易拉罐竖直向上抛出后，由于空气阻力不计，易拉罐及水的加速度等于重力加速度，易拉罐处于完全失重状态，易拉罐中各层水之间没有压力，在整体过程中，水都不会从小孔射出，故A、B、C错误，D正确.答案：D探究三用牛顿运动定律分析超重和失重现象1.超重、失重的分析.项目加速度视重（F）与重力的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向下加速或向上减速完全失重向下a＝gF＝0抛体运动、自由落体运动、卫星的运动等2.求解超重与失重问题的基本思路.超重和失重问题实质上就是牛顿第二定律应用的延续，解题时仍应抓住加速度这个关键量.具体方法是：（1）分析物体运动的加速度方向.（2）判断物体处于超重（或失重）状态.（3）利用牛顿第二定律分析和求解.【典例3】在升降电梯内的地面上放一体重计，电梯静止时，晓敏站在体重计上，体重计的示数为50kg.电梯运动过程中，有一段时间内晓敏发现体重的计示数如图所示，在这段时间内，下列说法中正确的是（）A.晓敏所受的重力变小了B.晓敏对体重计的压力小于体重计对晓敏的支持力C.电梯一定在竖直向下运动D.电梯的加速度大小为eq\f(g,5)，方向一定竖直向下解析：体重计示数是40kg，示数小于体重，说明晓敏对体重计的压力小于重力，并不是体重变小，故A错误，晓敏对体重计的压力和体重计对晓敏的支持力是一对作用力与反作用力，大小相等，故B错误；电梯做向上的减速运动也会是失重状态，示数小于其重力，故C错误；以人为研究对象，有mg－FN＝ma，求得a＝eq\f(mg－FN,m)＝eq\f(50g－40g,50)＝eq\f(1,5)g，方向竖直向下，选项D正确.答案：D超重、失重问题是牛顿第二定律的应用，解决这类问题的方法与处理动力学两类问题的方法相同.4.小明在力传感器上完成“下蹲”和“站起”动作，计算机采集的图线如图所示.由图中信息可以判断（重力加速度g取10m/s2）（）A.小明的体重大约为70kgB.小明先完成“下蹲”动作，再完成“站起”动作C.“站起”过程一直处于超重状态D.整个过程的最大加速度约为4m/s2解析：开始时小明处于平衡状态，小明对传感器的压力是500N，则小明的重力约为500N，体重约为50kg，故A错误；小明下蹲动作分别有失重和超重两个过程，先是加速下降失重（小于自身重力），到达一个最大速度后再减速下降超重（大于自身重力），站起过程分别有超重和失重两个过程，先是加速上升超重（大于自身重力），到达一个最大速度后再减速上升失重（小于自身重力），由题图像可知，小明先完成“下蹲”动作，再完成“站起”动作，故B正确，C错误；由题图可知，小明对力传感器的最小压力约为200N，则最大加速度约为a＝eq\f(500－200,50)m/s2＝6m/s2，故D错误.答案：B5.一质量为m＝40kg的小孩子站在电梯内的体重计上.电梯从t＝0时刻由静止开始下降，在0～6s内体重计示数F的变化如图所示.试求：这段时间内电梯下降的高度（重力加速度g取10m/s2）.解析：由题图可知，在第一段时间0～1s内，t1＝1s，电梯向下匀加速运动，mg－F1＝ma1，解得a1＝2m/s2，电梯下降的高度h1＝eq\f(1,2)a1teq\o\al(2,1)＝1m.在第二段时间1～4s内，t2＝3s，电梯向下匀速运动，速度为v＝a1t1＝2m/s，下降高度h2＝vt2＝6m.在第三段时间4～6s内，t3＝2s，电梯向下匀减速运动，F2－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，在整个过程中，电梯下降的总高度h＝h1＋h2＋h3＝9m.答案：9m课时评价作业（二十三）失重和超重A级合格达标1.在阿塞拜疆巴库举行的2021年蹦床世锦赛中，中国选手严浪宇斩获男子网上个人金牌，曹云珠摘得女子网上个人银牌.蹦床模型如图所示.下列关于运动员的描述正确的是（）A.离网下降的过程中一直处于失重B.离网上升的过程中一直处于超重C.触网下降的过程中一直处于失重D.触网上升的过程中一直处于超重解析：离网运动阶段，运动员只受重力作用，具有竖直向下的加速度，处于失重状态.故A正确，B错误；触网运动阶段，运动员受重力和弹力共同作用，由牛顿第二定律可知，其加速度方向与合力方向一致，即重力大于弹力阶段加速度竖直向下，重力小于弹力阶段加速度竖直向上.故C、D错误.故选A.答案：A2.如图所示，在“天宫课堂”中，航天员王亚平将乒乓球完全浸没在水中，乒乓球停留在了水中.合理的解释是（）A.乒乓球不受任何力的作用B.在太空，乒乓球的惯性变大C.在太空失重环境下，乒乓球的浮力几乎消失D.在太空失重环境下，乒乓球受到地球引力为零解析：在太空中乒乓球仍受地球的引力作用，故A、D错误；惯性只与质量有关，乒乓球质量不变，则在太空乒乓球的惯性不变，故B错误；在太空中乒乓球处于完全失重状态，和重力有关的一切现象会消失，则在太空失重环境下浮力几乎消失，故C正确.故选C.答案：C3.（多选）超重和失重现象可以用牛顿第二定律加以解释.如图所示，在上端开口的饮料瓶的侧面戳一个小孔，瓶中灌水，手持饮料瓶静止时，小孔有水喷出.饮料瓶在下列运动中，小孔不再向外喷水的是（设饮料瓶没有发生转动且忽略空气阻力）（）A.自由下落B.饮料瓶被水平抛出后的运动过程中C.饮料瓶被竖直向上抛出后的运动过程中D.手持饮料瓶向上匀速运动的过程中解析：饮料瓶自由下落、平抛以及在空中做抛体运动时，均只受到重力的作用，加速度为g，处于完全失重状态，此时水和容器的运动状态相同，它们之间没有相互作用，水不会流出，故A、B、C正确；手持饮料瓶向上匀速运动的过程中，由于水处于平衡状态，故水之间存在压力，水会向外喷出，故D错误.答案：ABC4.如图所示是火箭点火发射的某一瞬间.下列说法一定正确的是（）A.火箭受重力、空气的推力、空气阻力作用B.火箭加速升空过程中处于失重状态C.发动机喷出气体对火箭的作用力和火箭所受的重力是一对平衡力D.发动机喷出气体对火箭的作用力与火箭对喷出气体的作用力的大小相等解析：火箭点火的瞬间，火箭受重力、发动机喷出气体对火箭的作用力，故A错误；火箭加速升空过程中处于超重状态，故B错误；由于火箭加速升空，所以发动机喷出气体对火箭的作用力比火箭所受的重力更大，故C错误；发动机喷出气体对火箭的作用力与火箭对喷出气体的作用力为一对作用力与反作用力，所以大小相等，故D正确.答案：D5.2021年6月17日，据中国载人航天工程办公室最新消息，本次发射的“神舟十二号”宇宙飞船携有三名航天员.航天员在正常绕地飞行的飞船中可以完成下列哪个实验（）A.用天平称量物体的质量B.做托里拆利实验C.验证阿基米德定律D.用两个弹簧测力计验证牛顿第三定律解析：飞船处于完全失重状态，一切由重力引起的现象不再发生，工作原理涉及重力的仪器不能再使用，弹簧测力计的原理是胡克定律，完全失重情况下也可以使用.答案：D6.（多选）为了节省能量，某商场安装了智能化的电动扶梯，无人乘行时，扶梯沿着扶梯所在的斜面运转得很慢，有人站上扶梯时，它会先沿斜面慢慢加速，再匀速运转.一顾客乘扶梯上楼，恰好经历了这两个过程，如图所示.下列说法中正确的是（）A.顾客全程始终受到三个力的作用B.在匀速过程中，顾客只受2个力作用C.在加速过程中，顾客处于超重状态D.在加速过程中，扶梯对顾客的作用力沿斜面向上解析：在匀速阶段，根据平衡条件可知，顾客只受重力和支持力两个力的作用，故A错误，B正确.在加速过程中，加速度有向上的分量，所以顾客处于超重状态，扶梯对顾客的作用力与重力的合力提供了顾客的加速度，因为加速度沿着斜面，所以扶梯对顾客的作用力一定不沿斜面向上，故C正确，D错误.答案：BCB级等级提升7.某次救灾学习中，救援直升机悬停在空中，机上工作人员将装有救灾物资的箱子投出，已知箱子下落的初速度为零，下落过程中所受空气阻力不计.下落过程中，箱子始终保持投放时的状态，以下说法正确的是（）A.物资处于超重状态B.物资仅受重力作用C.物资受箱子的支持力逐渐减小D.由静止开始，箱子在持续相同时间内的位移比为1∶2∶3…解析：箱子在空中只受重力作用，加速度为g，方向竖直向下，处于完全失重状态，物资与箱子之间没有相互作用力，A、C错误，B正确；初速度为零的匀加速直线运动，在连续相等时间内的位移之比为1∶3∶5…，D错误.答案：B8.某同学站在电梯底板上，如图所示的v-t图像是计算机显示的电梯在某一段时间内速度变化的情况（取竖直向上为正方向）.根据图像提供的信息，可以判断下列说法中正确的是（）A.在0～20s内，电梯向上运动，该同学处于超重状态B.在0～5s内，电梯在加速上升，该同学处于失重状态C.在5～10s内，电梯处于匀速状态，该同学对电梯底板的压力等于他所受的重力D.由于物体的质量未知，所以无法判断超重、失重状态解析：在0～5s内，电梯在加速上升，该同学对电梯底板的压力大于他所受的重力处于超重状态，B错误；在5～10s内，电梯处于匀速状态，此时该同学受力平衡，对电梯底板的压力等于他所受的重力，C正确；在10～20s内，电梯在减速上升，该同学对电梯底板的压力小于他所受的重力，故处于失重状态，A、D错误.答案：C9.如图为某运动员做蹦床运动时，利用传感器测得蹦床弹力随时间的变化图.假设运动员仅在竖直方向运动，且不计空气阻力，g取10m/s2，依据图像给出的物理信息，可得（）A.运动员上升的最