46.超重和失重高一元创物理提前学强基础

6超重和失重核心目标1.认识超重和失重现象，能发现、分析超重和失重现象产生的条件及发生的原因，理解超重和失重现象的本质。2.了解超重和失重现象在各个领域中的应用，能解释生活中的超重和失重现象。【阅读+理解】提前学知识要点问题站在体重计上向下蹲，你会发现，在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小。当人静止后，保持某一数值不变。这是为什么呢？1.重力的测量在地球表面附近，物体由于地球的吸引而受到重力。测量重力常用两种方法：一种方法是，先测量物体做自由落体运动的加速度g，再用天平测量物体的质量，利用牛顿第二定律可得G＝mg。另一种方法是，利用力的平衡条件对重力进行测量。将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于静止状态。这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小相等，测力计的示数反映了物体所受的重力大小。这是测量重力最常用的方法。2.超重和失重人站在体重计上向下蹲的过程中，为什么体重计的示数会变化呢？体重计的示数称为视重，反映了人对体重计的压力。根据牛顿第三定律，人对体重计的压力与体重计对人的支持力FN大小相等，方向相反。如图，选取人为研究对象。人体受到重力mg和体重计对人的支持力FN，这两个力的共同作用使人在下蹲的过程中，先后经历加速、减速和静止三个阶段。设竖直向下方向为坐标轴正方向。人加速向下运动的过程中（如下左图），根据牛顿第二定律，有mg－FN＝ma，FN＝m（g－a）<mg，即体重计的示数所反映的视重（力）小于人所受的重力。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，叫作失重现象。同理，人减速向下运动的过程中（如下右图），加速度方向与运动方向相反，有mg－FN＝－ma，FN＝m（g＋a）>mg此时，体重计的示数大于人受到的重力。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，叫作超重现象。当人相对于体重计静止不动时，有FN＝mg思考与讨论：人站在力传感器上完成下蹲动作。观察计算机采集的图线。如下左图呈现的是某人下蹲过程中力传感器的示数随时间变化的情况。很明显，图线直观地描绘了人在下蹲过程中力传感器的示数先变小，后变大，再变小，最后保持某一数值不变的全过程。如下右图，图线显示的是某人站在力传感器上，先“下蹲”后“站起”过程中力传感器的示数随时间的变化情况。请你分析力传感器上的人“站起”过程中超重和失重的情况。可见，人的运动状态对体重计上显示出的结果是有影响的。那么，如果站在体重计上的人既不蹲下，也不站起，体重计上的示数就不会变吗？做一做：在电梯地板上放一台体重计。站在体重计上，观察电梯启动、制动和运行过程中体重计示数的变化。【例题】设某人的质量为60kg，站在电梯内的水平地板上，当电梯以0.25m/s2的加速度匀加速上升时，求人对电梯的压力。g取9.8m/s2。分析人站在电梯内的水平地板上，随电梯上升过程中受到两个力的作用：重力mg和地板的支持力FN，受力分析如图所示。解设竖直向上方向为坐标轴正方向。根据牛顿第二定律，有FN－mg＝maFN＝m（g＋a）＝60×（9.8＋0.25）N＝603N根据牛顿第三定律，人对电梯地板的压力FN′为FN′＝－FN＝－603N人对电梯的压力大小为603N，方向竖直向下。这个结果说明，当人与电梯共同向上加速或向下减速运动时，FN>G，人对电梯的压力将大于人所受的重力，出现超重现象。同理，如果电梯加速下降（或减速上升），FN<G，人对电梯的压力将小于人的重力，出现失重现象。如果人在加速下降的过程中加速度a＝g，那么，体重计的示数为0。这时物体对支持物（或悬挂物）完全没有作用力，这种现象被叫作完全失重状态。实际中有许多领域涉及超重和失重现象。例如，火箭发射时向上的加速度很大，火箭底部所承受的压力要比静止时大得多。如果是载人航天，在火箭发射阶段，航天员要承受数倍于自身体重的压力。只有很好地研究材料、机械结构、人体自身所能承受的压力问题，才能使火箭成功发射、航天员顺利飞向太空。航天器在太空轨道上绕地球或其他天体运行时，航天器内的物体将处于完全失重状态。完全失重时，物体将飘浮在空中，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮，走路时稍有不慎，将会“上不着天，下不着地”……超重和失重现象在实际中还有许多，请你通过读书、上网、请教专业人员等多种途径进一步学习和了解。【理解+记忆】常思考笔记重点一、重力的测量1.重力的测量方法一：先测量物体做自由落体运动的加速度g，再用天平测量物体的质量，利用牛顿第二定律可得G＝mg．方法二：利用力的平衡条件对重力进行测量．将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于静止状态．这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小相等，测力计的示数反映了物体所受的重力大小．2.视重：当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”。视重反映了人对弹簧测力计或水平台秤的拉力或压力，大小等于弹簧测力计所受的拉力或台秤所受的压力．二、超重和失重物体运动情况加速度方向受力图视重(F)与重力的关系物体所处状态向上加速或向下减速向上由F－mg＝ma得F＝m(g＋a)>mg超重向下加速或向上减速向下由mg－F＝ma得F＝m(g－a)<mg失重自由落体运动、抛体运动a＝g由mg－F＝ma得F＝0完全失重1.超重(1)定义：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，叫超重．(2)产生条件：物体具有竖直向上的加速度．2.失重(1)定义：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，叫失重．(2)产生条件：物体具有竖直向下的加速度．3.完全失重(1)定义：物体对支持物(或悬挂物)完全没有作用力，这种现象叫完全失重．(2)产生条件：加速度a＝g，方向竖直向下．【例题+解析】当检测深究错题1（2022广东省潮州市湘桥区铁铺中学高一（上）教学质量检测）下列关于失重与超重的说法中，正确的是（）A.失重就是物体所受重力变小B.物体加速上升时处于超重状态C.物体自由下落时不会产生失重现象D.失重现象中地球对物体的实际作用力没有变化1.BD解析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叫作失重现象，此时物体所受重力不变，A错误；物体加速上升时处于超重状态，B正确；物体自由下落时加速度等于重力加速度，会处于完全失重状态，C错误；失重现象中地球对物体的实际作用力没有变化，D正确。故选BD。2.(2020·湛江二中)如图所示，某同学在体验超重和失重现象．下列说法中正确的是()A.学生缓慢站起来时，体重计示数大于学生的重力B.学生突然站起来开始一段较短时间内，体重计示数大于学生的重力C.学生开始直立，缓慢下蹲时，体重计示数小于学生的重力D.学生突然站起来开始一段较短时间内，体重计对学生的支持力大于学生对体重计的压力2B解析：学生缓慢站起来时，加速度为零，体重计示数等于学生的重力；学生突然站起来时，加速度向上，处于超重状态，体重计示数大于学生的重力；学生缓慢下蹲时加速度为零，体重计示数等于学生的重力；学生突然站起来时，体重计对学生的支持力与学生对体重计的压力是一对作用力与反作用力，大小相等，故B正确．3.（2022河南省范县第一中学等学校高一（上）联考检测）如图所示，人站在电梯中的体重计上，质量为。电梯正在运动，加速度大小为，方向向上，体重计的示数为。已知重力加速度为，则以下说法正确的是（）A. B.C.电梯一定在上升 D.人一定处于超重状态3.BD解析由题知，加速度a的方向向上，根据牛顿第二定律有，解得，故人一定处于超重状态，A错误，BD正确；由题知，加速度a的方向向上，故电梯可能加速上升或减速下降，C错误。故选BD。4.（2022广东省广州市天河区高一（上）期末）晓玲同学在某次乘电梯过程中感觉到地板对自己的作用力变大了，则此时（）A.她受的重力变大了 B.她对电梯的压力变大了C.电梯一定在向上加速运动 D.电梯可能向上减速运动4.B解析晓玲同学在某次乘电梯过程中感觉到地板对自己的作用力变大了，说明她对电梯的压力变大了，处于超重状态，可能向上加速运动，也可能向下减速运动，但她受的重力不变。故ACD错误，B正确。故选B。5.(2020·汕尾检测)学生利用一弹簧测力计把质量m＝1kg的物体悬吊在竖直电梯的天花板下，测力计的示数随时间的变化如图所示，取g＝10m/s2，他想通过测力计的示数来判断电梯的运动情况，下列说法中正确的是()A.3～6s内，电梯的加速度为10m/s2B.电梯全程处于下行状态C.电梯先向下后向上运动D.电梯先减速接着加速运动5B解析：物体在0～3s内的加速度a1＝eq\f(mg－F1,m)＝eq\f(1×10－5,1)m/s2＝5m/s2，加速度的方向与重力加速度的方向相同，所以电梯向下做加速运动；3～6s测力计的示数等于重力，则电梯向下做匀速运动；6～9s内物体的加速度a2＝eq\f(mg－F3,m)＝－5m/s2，加速度的方向与重力加速度的方向相反，所以电梯向下做减速运动，综上所述，电梯向下先加速接着匀速最后减速运动，全程处于下行状态，故B正确，A、C、D均错误．6.（2022广东省茂名市“五校联盟”高一（上）期末联考）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.运动员上升的最高高度为5mB.运动员的加速度最大为50m/s2C.8.7s至9.5s内，运动员先处于失重状态再处于超重状态D.运动员与蹦床相接触过程中，运动员受到蹦床的弹力是由于运动员发生弹性形变而产生的6.A解析由图可知，运动员在空中时间为，由运动的对称性可知，下落时间为，运动员上升的最高高度为，A正确；由图可知，运动员的重力为500N，质量为，运动员的加速度最大为，B错误；8.7s至9.5s内，蹦床弹力由0增加到2500N再减小到0，运动员先处于失重状态后处于超重状态再处于失重状态，C错误；运动员与蹦床相接触的过程中，运动员受到蹦床的弹力是由于蹦床发生弹性形变而产生的，D错误。故选A。【作业+练习】强基础提升能力【作业】1.当在盛水的塑料瓶壁上扎一个小孔时，水会从小孔喷出，但释放水瓶，让水瓶自由下落，水却不会从小孔流出。这是为什么？2.蹦极是一项极限体育项目。运动员从高处跳下，在弹性绳被拉直前做自由落体运动；当弹性绳被拉直后，在弹性绳的缓冲作用下，运动员下降速度先增加再减小逐渐减为0。下降过程中，运动员在什么阶段分别处于超重、失重状态？3.火箭发射时，宇航员要承受超重的考验。某火箭发射的过程中，有一段时间的加速度达到3.5g，平时重力为10N的体内脏器，在该超重过程中需要的支持力有多大？4.一种巨型娱乐器械可以使人体验超重和失重状态（如图）。一个可乘坐二十多个人的环形座舱套装在竖直柱子上，由升降机送上几十米的高处，然后让座舱自由落下。落到一定位置时，制动系统启动，到地面时刚好停下。已知座舱开始下落时的高度为76m，当落到离地面28m的位置时开始制动，座舱做匀减速运动。若座舱中某人用手托着质量为0.2kg的，当座舱落到离地面50m的位置时，手的感觉如何？当座舱落到离地面15m的位置时，手要用多大的力才能托住？5.小明住的楼房中有一部电梯，小明用了两种方法估测电梯在加速和减速过程中的加速度。方法1用测力计悬吊一个重物，保持测力计相对电梯静止，测得电梯上升加速时测力计读数为G1，减速时为G2。小明了解到该电梯加速和减速过程的加速度大小是相同的。由此，请估算电梯变速运动时加速度有多大？方法2用的加速度传感器测量电梯上升中由起动到停止的加速度。请描述此过程电梯的at图像是怎样的。再用实地测一下看是怎样的。【作业参考答案】【练习】1.下列关于超重和失重的说法正确的是()A.物体处于超重状态时，其重力增加了B.物体处于完全失重状态时，其重力为零C.物体处于超重或失重状态时，其惯性比物体处于静止状态时增大或减小了D.物体处于超重或失重状态时，其质量及受到的重力都没有发生变化2.当人站立在体重计上加速下蹲时，体重计的示数会减小，这是因为（）A.人处于超重状态 B.人处于失重状态C.人的重力增加了 D.人的重力减少了3.在升降电梯内的地面上放一体重计，电梯静止时，晓敏同学站在体重计上，体重计示数为50kg.电梯运动过程中，某一段时间内晓敏同学发现体重计示数如图所示，则在这段时间内()A.晓敏同学所受的重力变小了B.晓敏同学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4.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5.如图所示，升降机天花板上用轻弹簧悬挂一物体，升降机静止时弹簧伸长10cm，运动时弹簧伸长9cm，则升降机的运动状态可能是(g取10m/s2)()A．以a＝1m/s2的加速度加速下降B．以a＝1m/s2的加速度加速上升C．以a＝9m/s2的加速度减速上升D．以a＝9m/s2的加速度减速下降6.金属小桶侧面有一小孔A，当桶内盛水时，水会从小孔A中流出。如果让装满水的小桶自由下落，不计空气阻力，则在小桶自由下落过程中()A．水继续以相同的速度从小孔中喷出B．水不再从小孔喷出C．水将以更大的速度喷出D．水将以较小的速度喷出7.某人在地面上最多可举起50kg的物体，若他在竖直向上运动的电梯中最多举起了60kg的物体，电梯加速度的大小和方向为(g＝10m/s2)()A．2m/s2竖直向上 B.eq\f(5,3)m/s2竖直向上C．2m/s2竖直向下 D.eq\f(5,3)m/s2竖直向下8.在电梯中，把一重物置于台秤上，台秤与力传感器相连，当电梯从静止起加速上升，然后又匀速运动一段时间，最后停止运动时，传感器的荧屏上显示出其受的压力与时间的关系图像如图所示．试由此图回答问题：(g取10m/s2)(1)该物体的重力是多少？电梯在超重和失重时物体的重力是否变化？(2)求出电梯在超重和失重时的最大加速度分别是多大？9.广州塔，昵称小蛮腰，总高度达600米，游客乘坐观光电梯大约一分钟就可以到达观光平台。若电梯简化成只受重力与绳索拉力，已知电梯在t＝0时由静止开始上升，a－t图象如图所示。则下列相关说法正确的是()A．t＝4.5s时，电梯处于失重状态B．5～55s时间内，绳索拉力最小C．t＝59.5s时，电梯处于超重状态D．t＝60s时，电梯速度恰好为零10.如图所示，“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点是人所到达的最低点，b点是人静止悬吊时的平衡位置，空气阻力不计．则人从P点落下到最低点c点的过程中()A.人从a点开始做减速运动，一直处于失重状态B.在ab段绳的拉力小于人的重力，人处于超重状态C.在bc段绳的拉力大于人的重力，人处于超重状态D.在c点，人的速度为零，其加速度也为零11.一质量为m＝40kg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0～6s内体重计示数F的变化情况如图所示．试问：在这段时间内小孩超、失重情况及电梯上升的高度是多少？(取重力加速度g＝10m/s2)【练习参考答案】水平达成1.D解析：物体处于超重或失重状态时物体的重力(由地球对物体吸引而产生的)本身不会发生变化，所以A、B错误；质量是惯性大小的量度，所以一个物体的惯性不会随物体的运动状态发生变化，C错误，D正确．2.B解析：人站立在体重计上加速下蹲，设支持力为N，由牛顿第二定律：，可得，由牛顿第三定律可知，人对称的压力（视重）小于重力，即：，故视重变小是因为人处于失重状态，人具有竖直向下的加速度，A错误，B正确；人的重力由质量和重力加速度决定，与人的状态无关，即人的重力(实重)不变，CD错误。故选B。3.D解析：在这段时间内晓敏处于失重状态，体重计示数变小，是由于晓敏对体重计的压力变小了，而她的重力没有改变，A错误；晓敏对体重计的压力与体重计对晓敏的支持力是一对作用力与反作用力，大小一定相等，B错误；以竖直向下为正方向，有mg－F＝ma，即50g－40g＝50a，解得a＝eq\f(g,5)，加速度方向竖直向下，但运动方向可能是竖直向上，也可能是竖直向下，C错误，D正确．4.A解析：运动员在空中运动的过程中，加速度总是竖直向下的，则运动员越过横杆前、后在空中所处的状态都是失重状态，故选A.5.A解析：当升降机静止时，根据胡克定律和二力平衡条件得kx1－mg＝0，其中k为弹簧的劲度系数，x1＝0.1m．当弹簧伸长量为x2＝9cm时，kx2<mg，说明物体处于失重状态，升降机加速度a的方向必向下，由牛顿第二定律得mg－kx2＝ma，解得a＝1m/s2.升降机加速度方向向下，如果向下运动，则为加速运动，如果向上运动，则为减速运动．由此可知选项A正确．6.B解析：水桶自由下落，处于完全失重状态，故其中的水也处于完全失重状态，对容器壁无压力，故水不会流出；故选B。7.D解析：由题意可知，在地面上，人能承受的最大压力为Fm＝mg＝500N，在电梯中人能举起＝eq\f(5,3)m/s2，所以选项D正确.8.(1)根据题意知，在4～18s时间内，物体随电梯一起匀速运动，由平衡条件及牛顿第三定律知，台秤受的压力和物体的重力相等，即G＝30N；根据超重和失重的本质知物