2024-2025学年新教材高中物理第四章运动和力的关系6超重和失重学案新人教版必修第一册

PAGE9-6．超重和失重目标体系构建明确目标·梳理脉络【学习目标】1.知道超重、失重现象，理解产生超重和失重现象的缘由。2．能用牛顿定律解决有关超重和失重问题。【思维脉络】课前预习反馈教材梳理·落实新知学问点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__，利用牛顿其次定律可得：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__。学问点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__竖直向上__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__。预习自测『判一判』(1)物体向上运动时肯定处于超重状态。(×)(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。(√)『选一选』如图所示，2013年6月20日上午，我国首次太空授课在距地球300多千米的“天宫一号”上实行，关于航天员王亚平在“天宫一号”上所做的“水球”。下列说法正确的是(B)A．“水球”的形成是因为太空中物体不受重力B．“水球”处于失重状态C．“水球”处于超重状态D．在“天宫一号”上可以利用体重计称量航天员的质量解析：A错：“水球”有质量，在太空中受到重力。B对，C错：“天宫一号”中的物体处于完全失重状态，物体飘浮在空中，液体呈现球形。D错：“天宫一号”上物体处于完全失重状态，物体对体重计没有压力，所以体重计不能运用。『想一想』人站在体重计上静止时，体重计的示数就显示了人的体重。人从站立状态到完全蹲下，体重计的示数如何改变？为什么会发生这样的改变？提示：先减小，后增加，再还原解析：人蹲下的过程经验了加速向下(失重)、减速向下(超重)和静止这三个过程。课内互动探究细研深究·破疑解难探究对超重与失重现象的理解┃┃情境导入__■你乘坐过高速电梯吗？电梯在启动、停止的过程中你有怎样的感受？将你的体验与同学沟通一下，体会其中蕴含的物理规律。提示：电梯启动时感到脚对地板的压力增大，电梯在停止的过程中感到脚对地板的压力减小了。┃┃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改变，看起来物重似乎有所增大或减小。(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逝，比如物体对桌面无压力，单摆停止摇摆，浸在水中的物体不受浮力等。靠重力才能运用的仪器，也不能再运用，如天平、液体气压计等。┃┃典例剖析__■典题1(原创题)如图所示，苹果自空中竖直落入深水中，到达某一深度后又返回到水面，下列说法正确的是(C)A．苹果在空中下落时处于“超重”状态B．苹果落入水中后“重力”变小了C．苹果在水中向下运动时处于“超重”状态D．苹果在水中向上运动时处于“失重”状态思路引导：(1)加速度的方向确定“超重”或“失重”。(2)重力不随物体的运动状态而改变。解析：苹果在空中下落时加速度向下，处于“失重”状态，A错；苹果在水中下落时加速度向上，处于“超重”状态，C对；苹果在水中上升时加速度向上，处于“超重”状态，D错；苹果在整个运动过程中“重力”没变，B错。思维升华：(1)无论超重、失重、完全失重，改变的只是视重，实际重力不变。(2)确定超重还是失重的是加速度的方向，与速度方向无关。┃┃对点训练__■1．(2024·广东省惠州市高一上学期期末)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。假如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(B)A．水接着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。探究超重与失重现象的分析处理┃┃情境导入__■(1)用弹簧测力计测物体重力时，突然向上加速，观察弹簧测力计的示数如何改变？(2)用弹簧测力计测物体重力时，突然向下加速，视察弹簧测力计的示数如何改变？(3)若将弹簧测力计和物体一起释放，视察弹簧测力计的示数如何改变？提示：(1)弹簧测力计示数变大了。(2)弹簧测力计示数变小了。(3)弹簧测力计示数变为零。┃┃要点提炼__■1．产生超重、失重现象的缘由(1)产生超重的缘由：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。由牛顿其次定律可得：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)产生失重现象的缘由：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。由牛顿其次定律可知：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视重(F)与重力关系运动状况受力图平衡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、环绕地球正常运行的卫星等┃┃典例剖析__■典题2如图所示，一质量为m＝40kg的小孩站在电梯内的体重计上。电梯从t＝0时刻由静止起先上升，在0～6s内体重计示数F的改变状况如图所示。试问：在这段时间内电梯上升的高度是多少？(取重力加速度g＝10m/s2)思路引导：由图像信息分析电梯在不同阶段的受力状况并确定电梯的加速度，再依据运动学公式列方程求解。解析：小孩重力为G＝400N，由题图知，在0～2s内，F1＝440N，F1>G，电梯匀加速上升，则有a1＝eq\f(F1－G,m)＝1m/s2，h1＝eq\f(1,2)a1teq\o\al(2,1)＝2mt1＝2s时，v＝a1t1＝2m/s在2～5s内，F2＝400N，F2＝G，电梯匀速上升，则有h2＝vt2＝6m在5～6s内，F3＝320N，F3<G，电梯匀减速上升，则有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。答案：9m思维升华：结合图像分析求解超重与失重问题特殊要擅长从图像中获得有用信息，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__■2．如图所示，一个质量M＝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，测力计下挂着一个质量m＝5kg的物体A。当升降机向上运动时，她看到弹簧测力计的示数为40N，g＝10m/s2，求：(1)升降机的加速度；(2)此时人对地板的压力。答案：(1)2m/s2，方向向下(2)400N竖直向下解析：(1)对A受力分析，依据牛顿其次定律得：mg－F弹＝ma得a＝g－eq\f(F弹,m)＝(10－eq\f(40,5))m/s2＝2m/s2，则升降机的加速度为2m/s2，方向向下。(2)对人分析，依据牛顿其次定律得：Mg－FN＝Ma解得：FN＝Mg－Ma＝50×(10－2)N＝400N，则由牛顿第三定律知人对升降机地板的压力大小为400N，竖直向下。核心素养提升以题说法·启智培优易错点：受思维定式的影响，未作好状态分析致错案例直升机悬停在空中向地面投放装有某物体的箱子，如图所示。设箱子初速度为零，箱子所受的空气阻力与箱子下落速度的平方成正比，且运动过程中箱子始终保持图示姿态。在箱子下落过程中，下列说法正确的是(C)A．箱内物体对箱子底部始终没有压力B．箱子刚从飞机上投下时，箱内物体受到的支持力最大C．箱子落到地面前瞬间，箱内物体受到的支持力比刚投下时大D．若下落距离足够长，箱内物体有可能不受底部支持力而“飘起来”错解：A或D错因分析：误选A者，对题干供应的信息审读不细致，误认为只要物体在空中释放而下落就肯定处于完全失重状态。事实上，箱子所受的空气阻力与箱子下落速度的平方成正比，解题时应仔细审读题中给出的条件及改变过程。误选D者，此时留意到了箱子下落过程中受到空气阻力的影响，但对箱子和箱内物体的运动过程分析错误，想当然地认为箱内物体有可能不受底部支持力而“飘起来”。解析：箱子刚投下时不受阻力，整体加速度为g，对于物体有mg－FN＝mg，即FN＝0，此时物体对箱子底部的压力为零，故B错；随着箱子的下落，因受空气阻力作用，对整体应用牛顿其次定律得(M＋m)g－kv2＝(M＋m)a，随着下落速度的增大，加速度越来越小，对物体应用牛顿其次定律得mg－FN＝ma，随着加速度的减小，物体受到