【讲与练】高中物理人教版(2019)必修1：4.6 超重和失重学案

6．超重和失重课程标准1．通过体验或实验，认识超重和失重现象，理解产生超重和失重现象的原因。2．能用牛顿定律解释有关超重和失重现象。素养目标物理观念了解超重、失重和完全失重现象科学思维知道产生超重和失重的条件；会运用牛顿运动定律解释生活中的超重和失重现象知识点1重力的测量1．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__。2．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__。知识点2超重和失重1．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，叫作失重(weightlessness)现象。(2)产生条件：物体具有_向下__的加速度。2．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，叫作超重(overweight)现象。(2)产生条件：物体具有_向上__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__，这种现象被叫作完全失重状态。(2)产生条件：加速度a＝_g__，方向_向下__。『微训练』1．根据预习内容，判断下列说法正误：(1)物体向上运动时一定处于超重状态。(×)(2)物体减速向下运动时处于失重状态。(×)(3)物体处于失重状态时重力减小了。(×)(4)超重就是物体的重力变大的现象。(×)(5)减速上升的升降机内的物体对地板的压力小于重力。(√)(6)做自由落体运动的物体处于完全失重状态。(√)2．采样完成后，“嫦五”上升器静止在月球表面时，月壤对样品仓的压力为F1；上升器从月球表面加速上升时，月壤对样品仓的压力为F2，则(D)A．F2＝0 B．F2＝F1C．F2＜F1 D．F2＞F1解析：上升器静止在月球表面时，月壤处于平衡状态，则F1与月壤重力相等；上升器从月球表面加速上升时，月壤具有向上的加速度，处于超重状态，所以F2＞F1。故选D。探究一对超重与失重现象的理解要点提炼1.实重与视重(1)实重：物体实际所受的重力。(2)视重：当物体挂在弹簧测力计下或放在水平台秤上静止时，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(1)超重：“视重”大于“实重”的现象(2)失重：“视重”小于“实重”的现象3．对超重和失重现象的理解(1)物体处于超重或失重状态时，物体所受的重力始终不变，只是物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力发生了变化，看起来物重好像有所增大或减小。(2)发生超重或失重现象与物体的速度方向无关，只取决于物体加速度的方向。加速度向上则“超重”，加速度向下则“失重”。(3)在完全失重状态下，平常由重力产生的一切物理现象都完全消失，比如物体对桌面无压力，单摆停止摆动，浸在水中的物体不受浮力等。靠重力才能使用的仪器，也不能再使用，如天平、液体气压计等。典例剖析典题1(2023·重庆沙坪坝高一期末)蹦床运动是集竞技、健身、观赏和娱乐于一体的综合性运动，如图所示为小南在竖直方向上练习蹦床运动的情景。若忽略空气阻力，下列说法正确的是(A)A．离开蹦床向上运动过程中，小南处于完全失重状态B．下落过程中，脚刚接触到蹦床时速度最大C．从接触蹦床到下降到最低点的过程中，小南先超重再失重D．从接触蹦床到下降到最低点的过程中，小南一直处于超重状态解析：离开蹦床向上运动过程中，小南只受重力作用，处于完全失重状态，选项A正确；下落过程中，脚刚接触到蹦床时，重力大于弹力，加速度向下，此时速度不是最大；当向下运动，弹力等于重力时，加速度为零，此时速度最大，选项B错误；从接触蹦床到下降到最低点的过程中，开始阶段弹力小于重力，加速度向下，小南处于失重状态；后来弹力大于重力，加速度向上，小南处于超重状态，即小南先失重再超重，选项C、D错误。对点训练❶(2023·天津高一期末)近年来天津市试点为老旧小区加装垂直电梯，如图甲，取竖直向上方向为正方向，某人某次乘电梯时的速度和时间图像如图乙所示，以下说法正确的是(C)A．4s时电梯停止在某一层楼B．1～3s，此人处于超重状态，重力变大C．5～7s，此人处于失重状态，支持力小于重力D．电梯先做匀加速直线运动，再做匀减速直线运动解析：由图乙可知，4s时电梯有速度，故A错误；1～3s，人的速度竖直向上不断增加，故加速度向上，处于超重状态，但重力保持不变，故B错误；5～7s，速度竖直向下不断减小，处于失重状态，支持力小于重力，故C正确；由图乙可知，在0～4s电梯加速度先变大后变小，做变加速运动，在4～8s时加速度先增大，后减小做变加速运动，故D错误。探究二超重与失重现象的分析处理要点提炼1.产生超重、失重现象的原因(1)产生超重的原因当物体具有向上的加速度a时，支持物对物体的支持力(或悬绳的拉力)为F。由牛顿第二定律可得：F－mg＝ma所以F＝m(g＋a)>mg由牛顿第三定律知，物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)F′>mg。(2)产生失重现象的原因当物体具有向下的加速度a时，支持物对物体的支持力(或悬绳对物体的拉力)为F。由牛顿第二定律可知：mg－F＝ma所以F＝m(g－a)<mg由牛顿第三定律可知，物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)F′<mg。特例：当物体具有向下的加速度a＝g时，则F′＝0，物体处于完全失重状态。2．超重、失重的分析比较特征状态加速度运动情况受力示意图平衡a＝0静止或匀速直线运动超重向上向上加速或向下减速失重向下向下加速或向上减速完全失重a＝g自由落体、抛体、正常运行的卫星等提醒：(1)发生超重和失重时，物体所受的重力并没有变化。(2)物体具有向上的分加速度ay时，也属于超重；物体具有向下的分加速度ay时，也属于失重。例如，在光滑斜面上下滑的物块具有向下的分加速度，故处于失重状态。典例剖析典题2(2023·江苏常州高一期中)小明同学用台秤研究人在竖直升降电梯中的超重与失重现象，他在地面上用台秤称得自己的体重为500N，再将台秤移至电梯内称其体重，电梯从t＝0时由静止开始运动到t＝11s时停止，得到台秤的示数F随时间t变化的图像如图所示，g取10m/s2，下列说法正确的是(B)A．在0～2s内，小明处于超重状态B．在0～2s内，小明加速度大小为1m/s2C．在10～11s内，台秤示数为F3＝800ND．在0～11s内，电梯通过的距离为18m解析：由题图可知，在0～2s内，台秤对小明的支持力为F1＝450N，由牛顿第二定律有mg－F1＝ma1，解得a1＝1m/s2，加速度方向竖直向下，故小明处于失重状态，故A错误，B正确；设在10～11s内小明的加速度为a3，时间为t3＝1s,0～2s的时间为t1＝2s，则a1t1＝a3t3，解得a3＝2m/s2，由牛顿第二定律有F3－mg＝ma3，解得F3＝600N，故C错误；0～2s内位移x1＝eq\f(1,2)a1teq\o\al(2,1)＝2m,2～10s内位移x2＝v匀t2＝a1t1t2＝16m，10～11s内位移x3＝eq\f(1,2)a3teq\o\al(2,3)＝1m，小明运动的总位移x＝x1＋x2＋x3＝19m，故D错误。思维升华：结合图像分析求解超重与失重问题特别要善于从图像中获取有用信息，能将图像与物体实际运动的情境结合起来，并应用相关物理规律求解。对点训练❷(2023·浙江杭州高一期末)将一台悬挂式测力计放在电梯中，并在测力计上挂上一重物，当电梯平稳运行时，测力计的示数为1N；从某时刻起，发现测力计的示数稳定在1.2N，取g＝10m/s2，则(B)A．物体的质量变为0.12gB．电梯可能正在以2m/s2的加速度加速上升C．电梯可能正在以2m/s2的加速度加速下降D．电梯已经停在顶楼解析：物体的质量是物体的固有属性，不随测力计的示数变化而变化，故A错误；测力计的示数稳定在F＝1.2N时，重物处于超重状态，加速度竖直向上，根据牛顿第二定律F－G＝ma，G＝mg＝1N，解得a＝2m/s2，故物体可能正在以2m/s2的加速度加速上升或以2m/s2的加速度减速下降，故B正确，C、D错误。宇航员的太空生活案例(2023·广东广州高一期末)2022年11月29日23时08分，搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，费俊龙、邓清明、张陆三名航天员顺利进入太空，按照预定程序与空间站组合体进行自主快速交会对接，与神舟十四号飞船胜利“太空会师”，发射任务圆满完成。则下列说法错误的是(C)A．火箭点火加速上升时航天员处于超重状态B．火箭点火加速上升时，加速度越大，航天员越容易受伤C．在空间站航天员可以用天平测物体的质量D．航天员返回时，在打开降落伞后，返回舱在减速下降的过程中处于超重状态解析：火箭点火加速上升时，航天员也加速上升，航天员受到的支持力大于重力才能加速上升，根据牛顿第三定律，航天员对座椅的压力大于自己的重力，航天员处于超重状态，如果加速度越大，座椅对航天员的支持力也越大，航天员也越容易在很大力的作用下受伤，故A、B正确；天平是等臂杠杆，由于重力的原因而产生的对托盘的压力，使得天平处于平衡状态这个原理测量质量的，在空间站里时，处于完全失重，重力全部用来提供向心力，因此上述原理不再适用，故C错误；返回舱做减速向下运动，其加速度向上，因此处于减速仓中的航天员处于超重状态，故D正确。由于本题选择错误的，故选C。核心素养科学思维由于人在太空中处于完全失重状态，生活环境与地球表面的生活环境迥然不同，因此，在太空中的衣、食、住、行与地面不同，会带来许多惊险和奇趣。一、住——密封座舱密封座舱是载人航天器上最基本的也是最根本的生命设施。太空中的强辐射就像原子弹爆炸时所产生的辐射一样，破坏人体的细胞组织；高速飞行的微流星体撞击，能置人于死地；人体暴露在高度真空中，不仅仅是缺氧窒息的问题，还可能导致体液沸腾而迅速死亡。密封座舱的舱壁，可以防止辐射和微流星体对人的伤害，座舱中的空气可以使人不受真空的伤害。二、吃——太空食品在航天器的密封座舱中进食既有情趣，又有危险。可把食物和饮料悬在空中，用嘴一口一口咬或吸食，而双手仍然可以做其他事情。但食物碎渣会到处飘飞，迷眼钻鼻，还会损坏仪器设备。因此，在早期的航天活动中，将食物做成糊状，装在软管中，食用时，像挤牙膏一样往嘴里挤。现在的航天食物和进食方法已与地面上差不多了。食物稍带黏性，可以黏在盘子中不飞走，而盘子可以固定在餐桌上。三、睡在航天器的密封座舱中睡觉特别方便，不管什么姿势，不管什么地方，都可以睡。但是，为了安全，应该钻进睡袋中，并将睡袋固定住，不然，睡袋到处飘飞，最后每个人都会挤到通风口，而当航天器加速或减速时，可能会被舱壁和仪器设备碰伤。还要带上眼罩和耳罩，以免快速交替的日夜节奏和仪器设备发出的声音影响睡眠。手臂要放进睡袋中，以免被卷进机器或碰着仪器设备的开关，在太空失重环境中，头和四肢有与躯体分离的感觉。一、超重与失重的理解与判断1．(2023·山西运城高一期末)载人飞船返回舱下降到距地面一定高度时，需要打开减速伞，使返回舱做减速运动，以保证宇航员安全着陆。关于返回舱的减速运动过程，下列说法正确的是(C)A．返回舱处于失重状态，加速度向上B．返回舱处于失重状态，加速度向下C．返回舱处于超重状态，加速度向上D．返回舱处于超重状态，加速度向下解析：返回舱向下做减速运动时，速度与加速度方向相反，因此加速度方向向上，返回舱处于超重状态，故A、B、D错误，C正确。2．(2023·重庆江北高一期末)小夏同学乘坐竖直升降电梯下楼，其位移x与时间t的图像如图所示，其中t1到t2时间段图像为直线。则以下说法正确的是(C)A．0～t1时间内，小夏同学处于超重状态B．t1～t2时间内，小夏同学做匀加速直线运动C．t2～t3时间内，小夏同学对电梯的压力大于自身的重力D．t2～t3时间内，小夏同学对电梯的压力小于电梯对小夏同学的支持力解析：小夏同学乘坐竖直升降电梯下楼，根据x－t图像切线斜率等于速度，可知0～t1时间内，小夏同学向下做加速运动，加速度方向向下，处于失重状态，故A错误；t1～t2时间内，x－t图像切线斜率保持不变，小夏同学做匀速直线运动，故B错误；t2～t3时间内，小夏同学对电梯的压力与电梯对小夏同学的支持力是一对相互作用力，大小总是相等，这段时间内小夏同学向下做减速运动，加速度方向向上，处于超重状态，小夏同学对电梯的压力大于自身的重力，故C正确，D错误。二、超重与失重的计算3．(2023·河北高一阶段检测)如图所示，轻质弹簧的上端固定在电梯的天花板上，弹簧下端悬挂一个小球，电梯中有质量为40kg的乘客，在电梯运行时乘客发现轻质弹簧的伸长量是电梯静止时的四分之三，已知重力加速度g取10m/s2，由此可判断此时(B)A．电梯可能加速下降，加速度大小为5m/s2B．电梯可能减速上升，加速度大小为2.5m/s