高中物理学案第5章第5节超重与失重

第5节超重与失重一、超重现象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。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。二、失重现象太空中宇宙飞船里的宇航员，好像都有超能力，都能飘浮在空中，这是为什么？提示：宇宙飞船中的宇航员处于完全失重状态，所以会“飘浮”在空中。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)所有的抛体运动，在不计阻力的情况下，都处于完全失重状态。某同学学习超重和失重现象后，总结出以下结论：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物体处于失重状态时，物体的重力没有变化。④处于完全失重状态的物体不受重力作用。⑤做自由落体的物体处于完全失重状态。你的判断：正确的结论有③⑤。在运行的电梯上，某同学站在台秤上突然看到自己的体重变大。思考：体重变大的原因是什么？人有加速度吗？什么方向？可能做什么运动？提示：人对支持面的压力变大。人有加速度，向上，可能加速上升或减速下降。一、认识超重和失重(物理观念——相互作用观念)我们测量体重时，站在体重计上应保持什么状态？为什么要这样？提示：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。超重失重完全失重实验现象视重大于实际重力视重小于实际重力视重等于零受力情况受到的支持力(拉力)大于重力受到的支持力(拉力)小于重力受到的支持力(拉力)等于0运动情况加速度竖直向上或有竖直向上分量加速度竖直向下或有竖直向下分量加速度大小为g，方向竖直向下无论超重、失重还是完全失重，物体的重力没有发生改变。总结：当物体与弹簧测力计保持静止或者匀速运动时，视重等于实重；当存在竖直方向的加速度时，视重不再等于实重。【典例】(2021·沈阳高一检测)2020年1月29日，在意大利举行的国际跳高邀请赛中，中国选手张国伟凭借2米27高度夺冠，赢得2020赛季开门红！若不计空气阻力，对于运动员跳高过程的分析，下列说法正确的是()A.运动员起跳时地面对他的弹力大于他对地面的压力B.运动员起跳后在空中上升过程中处于失重状态C．运动员跃杆后在空中下降过程中处于超重状态D．运动员落到软垫后一直做减速运动【解析】选B。运动员起跳时地面对他的弹力与他对地面的压力是一对作用力与反作用力，大小相等，故A错误；运动员起跳后在空中上升过程中，加速度的方向向下，处于失重状态，故B正确；运动员跃杆后在空中下降过程中，他只受到重力的作用，加速度的方向向下，处于失重状态，故C错误；运动员落到软垫后，软垫对他的作用力先是小于重力，所以他仍然要做短暂的加速运动，之后才会减速，故D错误。1．如图所示，体重为G的某同学站在体重计上向下蹲，在下蹲的过程中，体重计的示数F发生变化，则在一次完整的下蹲过程中，下列关于体重计的示数随时间变化的图像可能正确的是()【解析】选D。对人的运动过程分析可知，人下蹲的过程可以分成两段：人在加速下蹲的过程中，有向下的加速度，处于失重状态，此时人对体重计的压力小于人的重力的大小；在减速下蹲的过程中，加速度方向向上，处于超重状态，此时人对体重计的压力大于人的重力大小；故A、B、C错误，D正确。2.如图，垂直电梯里有一个“轿厢”和一个“对重”，它们通过钢丝绳连接起来，驱动装置带动钢丝绳使“轿厢”和“对重”在竖直方向做上下运动。当“轿厢”向上做匀减速直线运动时()A．电梯的“对重”处于失重状态B．电梯的“对重”向下匀加速运动C．钢丝绳的拉力等于“轿厢”的重力D．钢丝绳的拉力小于“轿厢”的重力【解析】选D。当“轿厢”向上做匀减速运动时，“轿厢”加速度向下，处于失重状态，“对重”向下做匀减速运动，加速度向上，处于超重状态，“轿厢”失重，所以钢丝绳受到的拉力小于“轿厢”的重力，故D正确，A、B、C错误。【规律方法】判断超重、失重状态的方法物体究竟处于超重状态还是失重状态，可用三个方法判断：(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g时处于完全失重状态。(3)从运动的角度判断：当物体加速上升或减速下降时处于超重状态，当物体加速下降或减速上升时处于失重状态，当物体做自由落体运动时完全失重。【拔高题组】1．(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B、C。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，B正确；在减速下落的过程中人受重力和座位对人向上的支持力，做减速运动，所以加速度方向向上，人处于超重状态，故选项C正确，D错误。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。运动员在空中的过程中，加速度总是等于竖直向下的重力加速度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，B、C、D错误。二、超重和失重现象的比较和应用(科学思维——科学推理)观看我国航天员太空授课的视频，你会发现好多有趣的现象：悬浮于空中的圆形水球、不再摆动的单摆、飘来飘去的航天员等，这些现象是我们地球上无法体验的，你知道这是为什么吗？提示：太空中的物体处于完全失重状态，由重力产生的所有物理现象都消失。比较项目加速度视重(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，向下减速失重向下F＝m(g－a)<mg(a<g)向下加速，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在完全失重状态下，平常由重力产生的一切物理现象都会消失。【典例】有一根钢丝的最大拉力为100N，在一个运动的电梯中，这根钢丝下悬挂了20kg的物体恰好没有断，问电梯可能做怎样的运动？(取g＝10m/s2)【解题探究】(1)重力大于钢丝的最大拉力，物体处于超重还是失重状态？提示：失重状态。(2)这种状态下具有哪个方向的加速度？提示：具有向下的加速度。【解析】钢丝的拉力恰为100N，物体一定处于失重状态，所以电梯具有向下的加速度。对物体由牛顿第二定律得：F合＝mg－F＝ma，解得：a＝5m/s2。电梯的运动情况有两种可能，一是以5m/s2的加速度向下匀加速运动，二是以5m/s2的加速度向上匀减速运动。答案：见解析一个质量50kg的人站在升降机的地板上，升降机的顶部悬挂了一只弹簧测力计，弹簧测力计下面挂着一个质量mA＝5kg的物体A，当升降机向上运动时，人看到弹簧测力计的示数为40N，如图所示，g取10m/s2，求此时人对地板的压力。【解析】依题意可知，弹簧测力计读数为40N，而物体A的重力G＝mAg＝50N，显然弹簧测力计的读数小于物体的重力，即视重小于实重，物体A处于失重状态。由于人和物体A以及升降机三者具有相同的加速度，因此人也处于失重状态。以物体A为研究对象，受力分析如图甲所示。由牛顿第二定律得mAg－T＝mAa所以a＝eq\f(mAg－T,mA)＝eq\f(5×10－40,5)m/s2＝2m/s2，方向向下，人的受力如图乙所示。由牛顿第二定律得Mg－N＝Ma，所以N＝Mg－Ma＝400N由牛顿第三定律可得，人对地板的压力为400N，方向向下。答案：400N，方向向下【拔高题组】1．(多选)在轨道上运行的人造地球卫星中，下列哪些仪器能够使用()A．天平B．弹簧测力计C．水银温度计D．水银气压计【解析】选B、C。在轨道上运行的人造地球卫星中的物体处于失重状态，凡是工作原理与重力有关的仪器在卫星中均不能正常使用，凡是与重力有关的实验，在卫星中都无法进行，故A、D不能使用。B、C与重力无关，可以使用。2.质量是60kg的人站在升降机中的体重计上，如图所示。重力加速度g取10m/s2，当升降机做下列各种运动时，求体重计的示数。(1)匀速上升。(2)以4m/s2的加速度加速上升。(3)以5m/s2的加速度加速下降。【解析】(1)匀速上升时，由平衡条件得：FN1＝mg＝600N由牛顿第三定律得：人对体重计压力为600N，即体重计示数为600N。(2)以a1＝4m/s2的加速度加速上升时，由牛顿第二定律得：FN2－mg＝ma1，FN2＝mg＋ma1＝840N由牛顿第三定律得：人对体重计压力为840N，即体重计示数为840N。(3)以a2＝5m/s2的加速度加速下降时，由牛顿第二定律得：mg－FN3＝ma2，FN3＝mg－ma2＝300N由牛顿第三定律得：人对体重计压力为300N，即体重计示数为300N。答案：(1)600N(2)840N(3)300N【拓展例题】考查内容：超重、失重状态下的浮力问题【典例】如图所示，两台秤上各放装有水的容器甲和乙，水中各有一小球通过细线分别牵拉在容器的底部和悬挂在容器的盖板上静止不动，此时两台秤的示数分别为N甲和N乙。当细线断开后，甲容器内小球上浮，乙容器内小球下沉，设两小球分别上浮和下沉的过程中，两台秤的示数分别为N′甲和N′乙，则()A.N′甲>N甲，N′乙>N乙 B．N′甲<N甲，N′乙<N乙C．N′甲<N甲，N′乙>N乙 D．N′甲>N甲，N′乙<N乙【解析】选B。由于甲中小球上升，把与小球同体积的水设为一个“水球”，“水球”必然下降，小球处于超重状态，“水球”处于失重状态，小球和“水球”的加速度大小相等，小球超重部分为m球a，“水球”失重部分为m水a。由于m水>m球，故整体处于失重状态，台秤示数减小量为ΔF＝m水a－m球a＝(m水－m球)a，故N′甲<N甲。同理，乙中小球下降，“水球”上升，二者加速度大小相等，小球失重部分为m球a，“水球”超重部分为m水a。由于m球>m水，故整体失重，乙台秤示数减少量为ΔF＝m球a－m水a＝(m球－m水)a，故N′乙<N乙。选项B正确。天问一号中国火星探测器是中国研发的火星探测器，旨在探测火星的形貌、土壤、环境、大气，研究火星上的水冰分布、物理场和内部结构。天问一号是中国行星探测任务名称，该名称源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。2020年4月24日，中国行星探测任务被命名为“天问(Tianwen)系列”，首次火星探测任务被命名为“天问一号”，后续行星任务依次编号。火星距离地球最远达4亿公里，中国的火星探测器在器箭分离后，经过约7个月巡航飞行被火星引力捕获。此后环绕器环绕火星飞行，并与着陆巡视器分离，然后进入任务使命轨道，开展对火星环绕探测，同时为着陆巡视器开展中继通讯。中国首次火星着陆的地点将会是火星低纬地带，也就是靠近火星赤道的某片区域，但现在精确的位置还无法确定。着陆器在火星表面软着陆时存在非常多的不确定性，也是任务的重大难点之一。执行首次火星任务的探测器一共会携带13台(套)科学载荷，比如执行火星全球探测的各类遥感相机和浅层地表雷达。相比重量为140公斤的中国首台月球车“玉兔”，首台火星巡视器的重量约为200公斤，可以工作92个地球日。着陆器在火星表面软着陆过程中，着陆器处于失重还是超重？提示：着陆器软着陆过程中，着陆器向下减速运动，加速度向上，着陆器处于超重状态。1．(水平1)有关超重和失重的下列说法正确的是()A．游泳运动员仰卧在水面静止不动时处于失重状态B.蹦床运动员在空中上升和下落过程中都处于失重状态C.举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态D．体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态【解析】选B。由超重、失重和完全失重的概念可知，在加速度向下时处于失重状态，在加速度向上时处于超重状态，而相对地面静止不动时既不超重也不失重。选项B正确。2．(水平1)一根竖直悬挂的绳子所能承受的最大拉力为FT，有一个体重为G的运动员要沿这根绳子从高处竖直滑下。若G>FT，要使下滑时绳子不断，则运动员应该()A．以较大的加速度加速下滑B．以较大的速度匀速下滑C．以较小的速度匀速下滑D．以较小的加速度减速下滑【解析】选A。下滑过程中运动员受重力和摩擦力，当运动员加速下滑时，合力方向向下，也就是说绳子给运动员的摩擦力小于重力，所以这时绳子承受较小的力，不容易被拉断，故选项A正确。【补偿训练】如图所示，载人飞船发射，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】选A。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。3．(水平2)2020年12月17日，嫦娥五号的返回舱采用“