人教版必修第一册高一物理同步讲练测专题4.5超重和失重(讲)(原卷版+解析)

专题4.5超重和失重【讲】一．讲核心素养物理观念：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；会运用牛顿第二定律解释生活中的超重和失重现象。科学探究：用牛顿第二定律探究生活中的超重、失重现象。能从不同的角度解决动力学问题，具有质疑和创新的意识。二．讲考点与题型【考点一】重力的测量1动力法是根据物体受力后运动状态的改变测定重力。例如在重力作用下的自由落体运动等来测量地球表面的重力加速度的值，则G＝mg。2静力法是根据物体受力后的平衡状态测定重力，例如，弹簧测力计竖直悬挂物体处于平衡状态，利用二力平衡知测力计的示数大小等于重力大小。【例1】(2021·宜昌高一检测)关于重力的大小，下列说法正确的是()A．弹簧测力计下端悬挂一重物，弹簧测力计读数大小一定等于这个物体重力的大小B．重力是物体固有的属性C．质量一定的物体，其重力大小也一定D．同一物体在北京的重力大于在赤道上的重力【素养提升】本题考查的核心素养是科学思维。【变式训练】】设想从某一天起，地球的引力减小了一半，那么对于漂浮在水面上的船来说，下列说法正确的是()A．船受到的重力将减小，船的吃水深度仍不变B．船受到的重力将减小，船的吃水深度也减小C．船受到的重力将不变，船的吃水深度也不变D．船受到的重力将不变，船的吃水深度将减小【考点二】超重和失重现象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．超重与失重不是重力本身变了，而是物体对悬挂物的拉力或对水平支持物的压力发生了变化，即“视重”变化了．若弹力大于重力是超重，反之则是失重．2．超重、失重的比较特征状态加速度压力(拉力)运动情况受力示意图平衡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向上减速或向下加速完全失重a＝gF＝0自由落体，抛体，正常运行的卫星等3.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．【例2】(2020·佛山高一检测)(多选)在一电梯的地板上有一压力传感器，其上放一物块，如图甲所示，当电梯运行时，传感器示数大小随时间变化的关系图像如图乙，根据图像分析得出的结论中正确的是()A．从时刻t1到t2，物块处于失重状态B．从时刻t3到t4，物块处于失重状态C．电梯可能开始停在低楼层，先加速向上，接着匀速向上，再减速向上，最后停在高楼层D．电梯可能开始停在高楼层，先加速向下，接着匀速向下，再减速向下，最后停在低楼层【素养提升】本题考查的核心素养是物理观念及科学思维。【规律总结】判断超重、失重状态的方法(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(包括斜向上)时处于超重状态，具有向下的加速度(包括斜向下)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，物体处于超重状态，当物体加速下降或减速上升时，物体处于失重状态。。【变式训练1】．(2021·浙江模拟)超重与失重是宇航员生活和工作中的两大难题．实际上，在我们的生活中也充满了超重和失重．假如某同学家住10楼，那么，他从一楼开始坐电梯回家的过程中，体验到的将是()A．先超重，后等重，再失重B．先失重，后等重，再超重C．一直超重D．一直失重【变式训练2】.(2021·平谷期末)如图所示为游乐场中的一种大型游乐设施跳楼机，它可以使人体验超重和失重．参加游戏的游客被安全带固定在座椅上，由升降机从静止开始经历加速、匀速、减速过程，将座椅提升到一定高度处，然后由静止释放，落到一定位置时，制动系统启动，座椅做减速运动，到达某一高度时停下．在上述过程中，关于座椅中的人所处的状态，下列判断正确的是()A．座椅在整个上升的过程中人都处于超重状态B．座椅在减速上升的过程中人处于超重状态C．座椅在整个下降的过程中人都处于失重状态D．座椅在减速下降的过程中人处于超重状态【考点三】超重、失重的有关计算1.超重与失重问题，实质上是牛顿第二定律应用的延续，解题时仍应抓住联系力和运动的桥梁——加速度。2．基本思路(1)确定研究对象；(2)把研究对象从运动体系中隔离出来，进行受力分析并画出受力图；(3)选取正方向，分析物体的运动情况，明确加速度的方向；(4)根据牛顿运动定律和运动学公式列方程；(5)解方程，找出所需的结果。3．注意使用牛顿第三定律，因为压力和支持力并不是一回事，同时注意物体具有向上(或向下)的加速度与物体向上运动还是向下运动无关。【例3】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内体重计对人的支持力F的变化情况如图所示。试问：在这段时间内小孩超重、失重情况及电梯上升的高度是多少？(取重力加速度g＝10m/s2)【素养提升】本题考查的核心素养是物理观念及科学思维。【规律总结】对于有关超重、失重的计算问题，首先应根据加速度方向判断物体处于超重状态还是失重状态，然后选加速度方向为正方向，分析物体的受力情况，利用牛顿第二定律进行求解。求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。【变式训练1】(多选)(2021·陕西咸阳市实验中学高一月考)一人站在电梯内体重计上，电梯静止时体重计示数500N。若电梯在竖直方向运动过程中，他看到体重计的示数为600N，取g＝10m/s2。电梯的运动情况可能是()A.电梯的加速度大小为2m/s2，方向竖直向上B.电梯的加速度大小为2m/s2，方向竖直向下C.电梯可能向上加速运动，也可能向下减速运动D.电梯可能向上减速运动，也可能向下加速运动【针对训练2】如图所示，一人站在电梯中的体重计上，随电梯一起运动。下列各种情况中，体重计的示数最大的是()A.电梯匀减速上升，加速度的大小为1.0m/s2B.电梯匀加速上升，加速度的大小为1.0m/s2C.电梯匀减速下降，加速度的大小为0.5m/s2D.电梯匀加速下降，加速度的大小为0.5m/s2三．讲知识体系四．课堂练习1.在某届学校秋季运动会上，张明同学以背越式成功地跳过了1.70米的高度，如图所示。若忽略空气阻力，g取10m/s2。则下列说法正确的是()A.张明下降过程中处于失重状态B.张明起跳以后在上升过程中处于超重状态C.张明起跳时地面对他的支持力等于他的重力D.张明起跳以后在下降过程中重力消失了2.几位同学为了探究电梯运动时的加速度大小，他们将体重计放在电梯中。电梯启动前，一位同学站在体重计上，体重计示数如图甲所示。然后电梯由1层直接升到10层，之后又从10层直接回到1层。图乙至图戊是电梯运动过程中按运动顺序在不同位置体重计的示数。下列说法正确的是()A.根据图甲、图乙可知，图乙位置时电梯向上加速运动B.根据图甲、图丙可知，图丙位置时人处于超重状态C.根据图甲、图丁可知，图丁位置时电梯向下减速运动D.根据图甲、图戊可知，图戊位置时人处于失重状态3.某人在地面上最多可举起50kg的物体，当他在竖直向上运动的电梯中最多举起60kg的物体时，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4.(多选)(2020·黄梅国际育才中学高一月考)某质量为50kg的同学站在电梯底板上，利用速度传感器和计算机研究电梯的运动情况，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(选向上为正方向，g＝10m/s2)。根据图像提供的信息，可以判断下列说法中正确的是()A.在0～5s内，该同学对电梯底板的压力等于520NB.在5～10s内，该同学对电梯底板的压力等于0C.在10～20s内，电梯在减速上升，该同学处于失重状态D.在20～25s内，该同学对电梯底板的压力等于480N5.中国的嫦娥工程探月计划分“绕、落、回”三步，然后实施载人登月。假若质量为60kg的航天员登上了月球，已知月球表面g′＝1.6N/kg，而地球的表面g＝9.8N/kg，则该航天员在月球上的质量为多少？所受重力多大？在地球上所受重力多大？专题4.5超重和失重【讲】一．讲核心素养物理观念：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；会运用牛顿第二定律解释生活中的超重和失重现象。科学探究：用牛顿第二定律探究生活中的超重、失重现象。能从不同的角度解决动力学问题，具有质疑和创新的意识。二．讲考点与题型【考点一】重力的测量1动力法是根据物体受力后运动状态的改变测定重力。例如在重力作用下的自由落体运动等来测量地球表面的重力加速度的值，则G＝mg。2静力法是根据物体受力后的平衡状态测定重力，例如，弹簧测力计竖直悬挂物体处于平衡状态，利用二力平衡知测力计的示数大小等于重力大小。【例1】(2021·宜昌高一检测)关于重力的大小，下列说法正确的是()A．弹簧测力计下端悬挂一重物，弹簧测力计读数大小一定等于这个物体重力的大小B．重力是物体固有的属性C．质量一定的物体，其重力大小也一定D．同一物体在北京的重力大于在赤道上的重力【答案】D【解析】不是任何情况下，弹簧测力计的读数都等于物体重力的大小，应强调物体处于静止或匀速直线运动状态，故选项A错误；不同地理位置，其重力大小不同；同一物体虽然质量不变，但在北京的重力略大于在赤道上的重力，其原因是g发生了变化，所以不能说重力是物体固有的属性，选项B、C错误，D正确。【素养提升】本题考查的核心素养是科学思维。【变式训练】】设想从某一天起，地球的引力减小了一半，那么对于漂浮在水面上的船来说，下列说法正确的是()A．船受到的重力将减小，船的吃水深度仍不变B．船受到的重力将减小，船的吃水深度也减小C．船受到的重力将不变，船的吃水深度也不变D．船受到的重力将不变，船的吃水深度将减小【答案】A【解析】根据题意可知：重力加速度g大小减小，又G＝mg，则船受到的重力将减小；又根据二力平衡可得G＝mg＝ρgV，解得V＝eq\f(m,ρ)，则船的吃水深度仍不变，故A正确。【考点二】超重和失重现象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．超重与失重不是重力本身变了，而是物体对悬挂物的拉力或对水平支持物的压力发生了变化，即“视重”变化了．若弹力大于重力是超重，反之则是失重．2．超重、失重的比较特征状态加速度压力(拉力)运动情况受力示意图平衡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向上减速或向下加速完全失重a＝gF＝0自由落体，抛体，正常运行的卫星等3.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．【例2】(2020·佛山高一检测)(多选)在一电梯的地板上有一压力传感器，其上放一物块，如图甲所示，当电梯运行时，传感器示数大小随时间变化的关系图像如图乙，根据图像分析得出的结论中正确的是()A．从时刻t1到t2，物块处于失重状态B．从时刻t3到t4，物块处于失重状态C．电梯可能开始停在低楼层，先加速向上，接着匀速向上，再减速向上，最后停在高楼层D．电梯可能开始停在高楼层，先加速向下，接着匀速向下，再减速向下，最后停在低楼层【思路点拨】①判断超、失重现象关键是看加速度方向，而不是运动方向。②处于超重状态时，物体可能做向上加速或向下减速运动。③处于失重状态时，物体可能做向下加速或向上减速运动。【答案】BC【解析】从F­t图像可以看出，0～t1，F＝mg，电梯可能处于静止状态或匀速运动状态；t1～t2，F>mg，电梯具有向上的加速度，物块处于超重状态，可能加速向上运动或减速向下运动；t2～t3，F＝mg，可能静止或匀速运动；t3～t4，F<mg，电梯具有向下的加速度，物块处于失重状态，可能做加速向下或减速向上运动。综上分析可知，B、C正确。【素养提升】本题考查的核心素养是物理观念及科学思维。【规律总结】判断超重、失重状态的方法(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(包括斜向上)时处于超重状态，具有向下的加速度(包括斜向下)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，物体处于超重状态，当物体加速下降或减速上升时，物体处于失重状态。。【变式训练1】．(2021·浙江模拟)超重与失重是宇航员生活和工作中的两大难题．实际上，在我们的生活中也充满了超重和失重．假如某同学家住10楼，那么，他从一楼开始坐电梯回家的过程中，体验到的将是()A．先超重，后等重，再失重B．先失重，后等重，再超重C．一直超重D．一直失重【答案】A.【解析】：上楼时，先向上加速，加速度方向向上，处于超重状态，再匀速，最后向上减速，加速度方向向下，处于失重状态，故A正确，B、C、D错误．【变式训练2】.(2021·平谷期末)如图所示为游乐场中的一种大型游乐设施跳楼机，它可以使人体验超重和失重．参加游戏的游客被安全带固定在座椅上，由升降机从静止开始经历加速、匀速、减速过程，将座椅提升到一定高度处，然后由静止释放，落到一定位置时，制动系统启动，座椅做减速运动，到达某一高度时停下．在上述过程中，关于座椅中的人所处的状态，下列判断正确的是()A．座椅在整个上升的过程中人都处于超重状态B．座椅在减速上升的过程中人处于超重状态C．座椅在整个下降的过程中人都处于失重状态D．座椅在减速下降的过程中人处于超重状态【答案】D.【解析】：座椅在加速上升的过程中人都处于超重状态，在减速上升的过程中人的加速度的方向向下，处于失重状态，故A、B错误；在减速下降的过程中人所受重力小于座位对人向上的支持力，所以加速度向上，人处于超重状态，故C错误，D正确．【考点三】超重、失重的有关计算1.超重与失重问题，实质上是牛顿第二定律应用的延续，解题时仍应抓住联系力和运动的桥梁——加速度。2．基本思路(1)确定研究对象；(2)把研究对象从运动体系中隔离出来，进行受力分析并画出受力图；(3)选取正方向，分析物体的运动情况，明确加速度的方向；(4)根据牛顿运动定律和运动学公式列方程；(5)解方程，找出所需的结果。3．注意使用牛顿第三定律，因为压力和支持力并不是一回事，同时注意物体具有向上(或向下)的加速度与物体向上运动还是向下运动无关。【例3】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内体重计对人的支持力F的变化情况如图所示。试问：在这段时间内小孩超重、失重情况及电梯上升的高度是多少？(取重力加速度g＝10m/s2)【思路点拨】本题可按以下思路进行分析：【答案】见解析【解析】小孩体重G＝mg＝400N，由题图知，在0～2s内，F1＝440N，F1>G，电梯匀加速上升，小孩处于超重状态，此时有a1＝eq\f(F1－G,m)＝1m/s2，v＝a1t1＝2m/s，h1＝eq\f(1,2)a1teq\o\al(2,1)＝2m在2～5s内，F2＝400N，F2＝G，电梯匀速上升，小孩处于平衡状态，此时有h2＝vt2＝6m在5～6s内，F2＝320N，F3<G，电梯匀减速上升，小孩处于失重状态，此时有a3＝eq\f(G－F3,m)＝2m/s2又v－a3t3＝0，说明电梯在6s末停止，故h3＝eq\f(v,2)t3＝1m所以电梯上升的高度为h＝h1＋h2＋h3＝9m。【素养提升】本题考查的核心素养是物理观念及科学思维。【规律总结】对于有关超重、失重的计算问题，首先应根据加速度方向判断物体处于超重状态还是失重状态，然后选加速度方向为正方向，分析物体的受力情况，利用牛顿第二定律进行求解。求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。【变式训练1】(多选)(2021·陕西咸阳市实验中学高一月考)一人站在电梯内体重计上，电梯静止时体重计示数500N。若电梯在竖直方向运动过程中，他看到体重计的示数为600N，取g＝10m/s2。电梯的运动情况可能是()A.电梯的加速度大小为2m/s2，方向竖直向上B.电梯的加速度大小为2m/s2，方向竖直向下C.电梯可能向上加速运动，也可能向下减速运动D.电梯可能向上减速运动，也可能向下加速运动【答案】AC【解析】电梯静止时体重计示数500N。若电梯运动过程中，体重计的示数为600N，说明电梯有向上的加速度，超重，运动情况可能为：向上加速或向下减速，a＝eq\f(FN－mg,m)＝eq\f(600－500,\f(500,10))m/s2＝2m/s2，故A、C正确，B、D错误。【针对训练2】如图所示，一人站在电梯中的体重计上，随电梯一起运动。下列各种情况中，体重计的示数最大的是()A.电梯匀减速上升，加速度的大小为1.0m/s2B.电梯匀加速上升，加速度的大小为1.0m/s2C.电梯匀减速下降，加速度的大小为0.5m/s2D.电梯匀加速下降，加速度的大小为0.5m/s2【答案】B【解析】选项A，电梯匀减速上升，加速度向下，由牛顿第二定律有mg－F1＝ma1，解得F1＝m(g－a1)；选项B，电梯匀加速上升，加速度向上，由牛顿第二定律有F2－mg＝ma2，解得F2＝m(g＋a2)；选项C，电梯匀减速下降，加速度向上，由牛顿第二定律有F3－mg＝ma3，解得F3＝m(g＋a3)；选项D，电梯匀加速下降，加速度向下，由牛顿第二定律有mg－F4＝ma4，解得F4＝m(g－a4)。由题意知，a1＝a2＝1.0m/s2，a3＝a4＝0.5m/s2，故F2最大，选项B正确。三．讲知识体系四．课堂练习1.在某届学校秋季运动会上，张明同学以背越式成功地跳过了1.70米的高度，如图所示。若忽略空气阻力，g取10m/s2。则下列说法正确的是()A.张明下降过程中处于失重状态B.张明起跳以后在上升过程中处于超重状态C.张明起跳时地面对他的支持力等于他的重力D.张明起跳以后在下降过程中重力消失了【答案】A【解析】在张明下降过程中，只受重力作用，有向下的重力加速度，处于完全失重状态，A正确；张明起跳以后在上升过程，也是只受重力作用，有向下的重力加速度，处于完全失重状态，B错误；在张明起跳过程中，地面对他的支持力大于重力，加速度向上，处于超重状态，C错误；起跳以后在下降过程中，重力不变，D错误。2.几位同学为了探究电梯运动时的加速度大小，他们将体重计放在电梯中。电梯启动前，一位同学站在体重计上，体重计示数如图甲所示。然后电梯由1层直接升到10层，之后又从10层直接回到1层。图乙至图戊是电梯运动过程中按运动顺序在不同位置体重计的示数。下列说法正确的是()A.根据图甲、图乙可知，图乙位置时电梯向上加速运动B.根据图甲、图丙可知，图丙位置时人处于超重状态C.根据图甲、图丁可知，图丁位置时电梯向下减速运动D.根据图甲、图戊可知，图戊位置时人处于失重状态【答案】A【解析】图甲表示电梯静止时体重计的示数，图乙示数大于静止时体重计的示数，所以电梯是加速上升，故A正确；图丙示数小于静止时体重计的示数，人处于失重状态，故B错误；图丁示数小于静止时体重计的示数，加速度方向向下，电梯在向下加速运动，故C错误；图戊示数大于静止时体重计的示数，人处于超重状态，故D错误。3.某人在地面上最多可举起50kg的物体，当他在竖直向上运动的电梯中最多举起60kg的物体时，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【答案】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60kg物体，物体一定处于失重状态，对60kg的