新教材高中物理第5章牛顿运动定律第5节超重与失重学案

第5节超重与失重课标解读课标要求素养要求1.进一步理解测量重力的方法。2.理解物体出现超重和失重现象的本质原因。3.能利用超重和失重的现象解决一些生活中的实际问题。1.物理观念:能利用牛顿运动定律解释生产生活中的相关现象、解决一些实际问题。2.科学思维:能用牛顿运动定律相关的证据表达自己的观点;具有质疑和创新的意识。3.科学探究:经历实验探究的过程,观察并体验超重和失重现象。4.科学态度与责任:将物理知识与生活现象紧密联系,让学生学会观察生活,知道物理就在身边。要点一超重现象物理学中把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称为超重❶现象。要点二失重现象物理学中把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称为失重❷现象。人们乘电梯加速下降时,就处于失重状态。若竖直向下的加速度大小正好等于重力加速度g,人对座椅的压力N=0,这称为完全失重❸现象。❶以下对超重概念的理解哪些是正确的? ()A.在上升的电梯中物体就处于超重状态B.在下降的电梯中的物体也可能处于超重状态C.物体在倾斜面运动时不可能处于超重状态提示B物体处于超重状态的标志是竖直方向有向上的加速度,比如减速下降。❷对失重的理解判断正误。(1)失重时,就是物体重力变小了。 ()(2)物体向上减速运动时处于失重状态。 ()(3)物体匀速下落时处于失重状态。 ()提示(1)×(2)√(3)×❸对完全失重理解正确的是 ()A.完全失重状态下的物体,重力完全消失了B.在太空中,宇航员处于完全失重状态,所以说宇航员在太空中不受重力作用C.物体抛出后只在重力作用下的运动状态就是完全失重状态提示C完全失重状态下的物体所受重力没有改变。1.对超重、失重的理解(1)物体超重或失重时,只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,物体本身的重力并没有改变。(2)超重或失重是由物体加速度的方向决定的,与速度方向无关。(3)加速度向上的两种运动状态:加速上升或减速下降,加速度向下的两种运动状态:加速下降或减速上升。2.对完全失重的理解(1)完全失重是物体的视重为零,对支持物的压力(或悬挂物的拉力)为零,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,比如物体对支持物无压力、摆钟将停止摆动、靠重力使用的仪器也不能再使用(如天平)。(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运动等,物体在空中只受重力的运动,其加速度等于g,物体处于完全失重状态。探究点一超重和失重现象1.如图所示,在弹簧测力计下悬挂一个重物,处于静止状态,那么弹簧测力计的示数指的是什么?提示重物的重力。2.若手提弹簧测力计向上加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大了吗?提示示数增大,重物的重力不变。3.若手提弹簧测力计向下加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大了吗?提示示数减小,重物的重力不变。1.超失重实质超重实质:物体处于超重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直方向上有向上的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对平衡状态时增大了,出现了“视重”大于“实重”的现象。失重实质:物体处于失重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直方向上有向下的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对平衡状态时减小了,出现了“视重”小于“实重”的现象。2.完全失重当物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)等于零时,我们称物体处于完全失重状态。实质原因为物体竖直向下的加速度等于重力加速度。例原地起跳摸高是篮球和羽毛球重要的训练项目之一,训练过程中,运动员先由静止下蹲一段位移,经过充分调整后,发力跳起摸到一定的高度,关于摸高整个过程中的失重与超重,下列说法正确的是 ()A.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先超重后失重B.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先超重后失重C.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先失重后超重D.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先失重后超重答案B下蹲阶段从静止开始运动到最低点静止,先加速后减速,加速度先向下后向上,先失重后超重;上升阶段先从静止开始加速上升,加速度向上处于超重状态,离开地面后做竖直上抛运动,加速度向下处于失重状态。故选B。解题感悟判断超重、失重的方法(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)方法口诀:超重与失重,全由加速度的方向定,向上为超重,向下为失重。1.高跷运动是一项新型运动,图甲为弹簧高跷。当人抓住扶手用力蹬跄踏板拉伸弹簧后,人会向上弹起,进而带动高跷跳跃,如图乙所示。不计空气阻力,下列说法正确的是 ()A.弹簧拉伸到最低点时,高跷对地面的压力等于人和高跷到的总重力B.人从最低点向上弹起的过程中,踏板对人的作用力一定大于人对踏板的作用力C.人从最低点向上弹起到最高点的过程中,先处于超重状态,后处于失重状态D.人从最高点下落至最低点的过程中,先做匀加速运动后做匀减速运动答案C弹簧拉伸到最低点时,弹力大于重力,加速度方向向上,人和高跷处于超重状态,高跷对地面的压力大于人和高跷的总重力,A错误;踏板对人的作用力和人对踏板的作用力是一对作用力和反作用力,它们大小相等,方向相反,B错误;人从最低点向上弹起到最高点的过程中,弹力先大于重力,加速度方向向上,人处于超重状态,然后弹力小于重力,人处于失重状态,C正确;人从最高点下落到最低点的过程中,弹力是变化的,合力是变化的,做变加速运动,D错误。2.体育课上某同学做引体向上。他两手握紧单杠,双臂竖直,身体悬垂;接着用力上拉使下颚超过单杠(身体无摆动);然后使身体下降,最终悬垂在单杠上。下列说法正确的是 ()A.在上升过程中单杠对人的作用力始终大于人的重力B.在下降过程中单杠对人的作用力始终小于人的重力C.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力不变D.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力变大答案D人在上升过程中,由于身体先做加速运动,后做减速运动,人先处于超重状态,后处于失重状态,单杠对人的作用力先大于人的重力,后小于人的重力,A错误。同理,人在下降过程中,身体先做加速运动,后做减速运动,人先处于失重状态,后处于超重状态,单杠对人的作用力先小于人的重力,后大于人的重力,B错误。根据力的合成法则知,当增大两手间的距离,即增大两拉力的夹角时,因拉力的合力不变,则单臂的拉力变大,故C错误,D正确。探究点二超重和失重分析1.超失重现象的状态及受力分析特征状态加速度视重(F)与重力的关系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(ga)<mg向下加速或向上减速完全失重向下a=gF=0竖直上抛运动、自由落体运动等2.超重和失重问题的解题步骤(1)确定研究对象,并对其进行受力分析,画出受力示意图;(2)分析物体的运动状态,确定加速度的方向,并在受力示意图旁边标出;(3)选取加速度的方向为正方向,根据牛顿第二定律列方程;(4)解方程,得到物体所受悬挂物的拉力或支持面的支持力;(5)根据加速度的方向判定物体处于超重还是失重状态(若加速度向上超重,加速度向下失重)。1.(多选)某同学站在压力传感器上完成下蹲动作,如图为传感器记录的压力随时间变化的情况,横坐标表示时间,纵坐标表示压力。重力加速度取10m/s2,下列说法正确的是 ()A.a点对应该同学所受合外力方向向上B.b点对应该同学所受合外力方向向上C.该同学的质量为50kgD.下蹲过程中该同学始终处于失重状态答案BC该同学下蹲过程分别有失重和超重两个状态,先是加速下降,到达一个最大速度后再减速下降,对应先失重再超重,到达最低点后处于平衡状态,所以在a点该同学处于失重状态,该同学所受合外力方向向下,在b点该同学处于超重状态,该同学所受合外力方向向上,A、D错误,B正确;开始时该同学处于平衡状态,传感器记录的压力等于该同学的重力G,则由G=mg知该同学的质量m=50kg,故C正确。2.(★)(多选)某同学用台秤研究在电梯中的超失重现象,在地面上称得其体重为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的变化情况如图所示(g=10m/s2)。则 ()A.电梯为下降过程B.在10~11s内电梯的加速度大小为2m/s2C.F3的示数为550ND.电梯运行的总位移为19m答案ABD0~2s内电梯支持力小于重力,合力向下,加速度向下,初始为静止,所以0~2s电梯为匀加速下降。2~10s内支持力等于重力,平衡状态,保持2s末的速度做匀速直线运动,10~11s支持力大于重力,合力向上,由于之前的速度方向向下,所以此阶段向下匀减速,选项A对。匀加速阶段加速度a=G-FNG/g=1m/s2,2s末的速度v2=at1=2m/s,此阶段位移x1=12at12=2m,匀速阶段位移x2=v2t2=16m,匀减速阶段时间t'=1s,初速度为2s末的速度,末速度等于0,所以可得此阶段加速度大小a'=v2t'=2m/s2,根据牛顿第二定律FN'G=ma'=Gga',得此时的支持力FN'=600N,即F3=600N,此阶段位移x3=1.下列漫画描绘了超失重的现象,若图a表示电梯静止或者匀速运动的情形,那么图b、图c分别表示电梯在如何运动,下列说法正确的是 ()A.图b可能表示电梯向上做减速运动B.图b可能表示电梯向上做加速运动C.图c可能表示电梯向上做加速运动D.图c可能表示电梯向下做减速运动答案B图b中图案被压扁了,是超重,加速度向上,可能向上做加速运动,也可能向下做减速运动,B正确,A错误;图c中图案被拉长了,是失重,加速度向下,可能向下做加速运动,也可能向上做减速运动,C、D错误。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,如图中a点是弹性绳的原长位置,c点是人所能到达的最低点,b点是人静止地悬吊着的平衡位置。人从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,其加速度为零答案AB人在Pa段做自由落体运动,处于完全失重状态,A正确;在ab段绳的拉力小于人的重力,人的加速度向下,则人处于失重状态,B正确;在bc段绳的拉力大于人的重力,加速度向上,则人处于超重状态,C错误;在c点,人的速度为零,但加速度不为零,D错误。3.(★)图甲是某人站在接有传感器的力板上做下蹲、起跳和回落动作的示意图,图中的小黑点表示人的重心。图乙是力板所受压力随时间变化的图像,取重力加速度g=10m/s2。根据图像分析可知 ()A.人的重力可由b点读出,约为280NB.b到c的过程中,人先处于超重状态再处于失重状态C.f点是人在双脚离开力板的过程中,上升最高的点D.人在b点对应时刻的加速度小于在c点对应时刻的加速度答案D开始时人处于平衡状态,人对传感器的压力约为900N,人的重力也约为900N,A错误;由题图乙所示图像可知,从b到c的过程中,人对力板的压力先小于自身重力后大于自身重力,因此人先处于失重状态后处于超重状态,B错误;若图中f点为双脚离开力板的过程中,上升到的最高点,则此时双脚对板无压力,故传感器显示为0,与题图乙中所表述的力的大小不符,C错误;由题图乙所示图像可知,在b点人对力板的压力约为300N,力板对人的支持力约为300N,人所受合力约为900N300N=600N,在c点,人对力板的压力约为2000N,力板对人的支持力约为2000N,人受到的合力约为2000N900N=1100N,人在b点受到的合力小于在c点受到的合力,由牛顿第二定律可知,人在b点的加速度大小小于在c点的加速度大小,故D正确。失重中有一种特殊现象——完全失重,所谓完全失重是物体的视重为零,也就是说,在物体在做自由落体运动时,如果你去称它的重量,视重为0,其原因是物体具有向下的加速度,而且其全部重力都提供了物体向下的加速度。同样卫星中的物体与卫星做同样的圆周运动,重力提供向心力。2013年我国宇航员在完全失