4.6 超重和失重 教案

4.6超重和失重
【教材分析】
超重与失重，既是牛顿运动定律的应用，又是日常生活中常见的物理现象，特别是自从人造地球卫星和载人飞船发射成功以来，人们就经常谈到超重和失重。因此，它还是当今宇宙开发和国家国防军事领域中要面临的重要问题。本节内容讲述超重和失重现象及其产生原因，并且将其应用在具体问题中：如电梯中的超失重和体重秤上的超失重等。教材中安排这一节，既能进一步巩固学生学习过的受力分析、牛顿运动定律等知识，又能增强物理知识与日常生活、宇宙开发的联系，同时激发学生学习物理的兴趣、增强学生国防意识，培养学生爱科学、学科学、用科学的思想热情。
【教学目标与核心素养】
[物理观念]通过实验认识超重和失重现象；理解超重和失重现象的本质，知道超重与失重现象中，地球对物体的作用力并没有变化；知道完全失重状态的特征和条件，知道人造卫星中的物体处于完全失重状态。
[科学思维]能够根据加速度的方向，判别物体的超重和失重现象；进一步学会应用牛顿运动定律解决实际问题的方法。
[科学探究]经历观看实验、分组实验、讨论交流的过程，观察并体验超重和失重现象；经历探究产生超重和失重现象原因的过程，学习科学探究的方法。
[科学态度与责任]通过探究性学习活动，体会牛顿运动定律在认识和解释自然现象中的重要作用，产生探究的成就感；通过运用超重与失重知识解释身边物理现象，激发学习的兴趣，认识到掌握物理规律是有价值的。
【教学重难点】
教学重点：超重与失重的概念及其产生条件。
教学难点：超重和失重现象的本质；应用牛顿运动定律解决实际问题。
【课前准备】
多媒体课件、体重计、弹簧测力计、钩码。
【课时安排】
1课时
【教学过程】
【新课导入】
教师活动：讲台上放一台体重计，请两位学生分别站在体重计上做下蹲动作，然后，告诉大家观察的结果。
学生活动：在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小。
教师提问：站在体重计上向下蹲，你会发现，在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小。当人静止后，保持某一数值不变。这是为什么呢？
【新课讲授】
一、超重和失重
1．实验探究一
教师活动：指导学生用已有的实验器材：弹簧秤、钩码（两人一组）。如图所示，在弹簧秤下端挂一钩码，仔细观察钩码静止时、缓缓上升、缓缓下降时、突然上升和突然下降时弹簧秤示数的变化，将实验现象填入下列表格，思考弹簧秤的读数和钩码所受重力有什么关系。两个人分工协作，一个做实验，一个观察，并交流彼此感受。
学生活动：分组实验、讨论，派代表来回答实验结果。
学生回答：钩码静止时、缓缓上升、缓缓下降时弹簧秤读数基本不变。突然上升时，弹簧秤的读数变大。突然下降时，弹簧秤的读数变小。
教师总结：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。这是测量重力最常用的方法。当钩码静止，缓慢上升或者缓慢下降时，都可以认为钩码处于一种平衡状态。根据力的平衡条件，测力计显示的示数就等于物体重力的大小。但是，当钩码突然上升时，我们看到弹簧测力计的示数变大了，当钩码突然下降时，弹簧测力计的示数变小了。是钩码的重力变化了吗？（不是）是“视重”改变了。
★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。
物体处于平衡状态时，根据力的平衡条件和牛顿第三定律，对支持面的压力或对悬挂物的拉力大小等于物体本身的重力，即视重等于物体本身的重力．若视重大于重力是超重，视重小于重力是失重。
教师提问：为什么突然上升时会出现“超重”，突然下降时会出现“失重”呢？下面我们接着来探究。
2．实验探究二
教师活动：指导学生在弹簧秤下悬挂钩码，让弹簧秤分别处于匀速上升，匀速下降，加速上升，减速上升，加速下降，减速下降的过程。观察弹簧秤的读数，思考弹簧秤的读数和钩码所受重力有什么关系？将实验结果填入下列表格。
运动状态 速度方向 加速度方向 比较F与G的大小 超重失重的情况
匀速上升
匀速下降
加速上升
减速上升
加速下降
减速下降
学生活动：分组实验、记录、讨论，展示实验结果。
教师总结：同学们都发现当物体匀速运动时，弹簧测力计的示数等于物体的重力，而当物体加速上升或减速下降时，发生“超重”现象，当物体加速下降或减速上升时，会发生“失重”现象。为什么会这样呢？下面我们应用牛顿运动定律来推导一下。
3．理论分析
教师活动：以加速上升和减速上升两种情况为例来进行推导。
弹簧秤和重物加速上升时，物体的速度方向向上，加速度方向也向上
(
a
G
F
)
根据牛顿第二定律：F-G=ma
F=G+ma > G
由牛顿第三定律可知：
物体对弹簧秤的拉力大小上等于弹簧秤对物体的拉力，即：F′ = F > G
★超重现象：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现象。
弹簧秤和重物减速上升时，物体的速度方向向上，但是，因为减速，所以加速度方向向下
(
a
F
G
)
根据牛顿第二定律：G - F = ma
F = G - ma < G
由牛顿第三定律可知：
物体对弹簧秤的拉力大小上等于弹簧秤对物体的拉力，即：F′ = F< G
★失重现象：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现象。
教师活动：引导学生自己推导加速下降和减速下降时的“超重”或者“失重”情况。
学生活动：展示推导结果。
教师提问：同学们，请仔细观察表格并结合四种情况下的推导，思考：物体在什么条件下会发生超重和失重现象？
学生活动：小组讨论，回答问题。
教师总结：物体处于超重或失重状态时，物体的重力并不变，只是物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力发生了变化。这是由物体竖直方向的加速度引起的，当物体具有向上的加速度时，物体就处于超重状态；当物体具有向下的加速度时，它就处于失重状态与物体的速度方向无关。
教师提问：其实，不仅仅在上面这个例子中会出现超重和失重现象，大家回想一下，我们生活当中还有没有超重和失重的现象？（坐电梯、玩过山车……）是的，我们每天乘坐电梯上下楼的时候，就在经历超重和失重，下面我们以一道例题来研究一下电梯里的超重和失重现象。
教师讲解：
【例1】设某人的质量为60 kg，站在电梯内的水平地板上，当电梯以0.25 m/s2的加速度匀加速上升时，求人对电梯的压力。g取9.8 m/s2。
【分析】人站在电梯内的水平地板上，随电梯上升过程中受到两个力的作用：重力mg和地板的支持力FN，受力分析如图4.6-6所示。
【解析】设竖直向上方向为坐标轴正方向。
根据牛顿第二定律，有
FN－mg＝ma
FN＝m（g＋a）＝60×（9.8＋0.25）N ＝ 603 N
根据牛顿第三定律，人对电梯地板的压力 FN′为
FN′＝－FN ＝－603 N
人对电梯的压力大小为603 N，方向竖直向下。
4．完全失重现象
教师提问：这个结果说明，当人与电梯共同加速上升或减速下降时，人对电梯的压力将大于人所受的重力，出现超重现象。同理，如果电梯加速下降或减速上升时，人对电梯的压力将小于人的重力，出现失重现象。现在，如果人在加速下降的过程中加速度a=g=9.8 m/s2。请同学们计算一下，此时，人对电梯的压力，即：电梯里的体重计的示数是多少？
学生活动：计算并展示结果。
教师活动：我们发现体重计的示数为0。
★完全失重现象：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。产生完全失重的条件是：物体以加速度a =g竖直加速下降。
超重和失重现象的应用
教师讲解：实际中有许多领域涉及超重和失重现象。例如，宇航员在飞船起飞和返回地面时，处于超重状态，特别是在升空时，超重可达重力的9倍。超重使人不适，起初会感到头晕、呕吐；超重达到3倍重力时就感到呼吸困难；超重达到4倍重力时，颈骨已不能支持头颅，有折断的危险。所以升空时宇航员必须采取横卧姿势，以增强对超重的耐受能力。
到了太空，人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机都绕地球做圆周运动。航天飞机中的人和物都处于完全失重状态。完全失重时，物体将漂浮在空中，液体呈球形。课下，请大家通过查找资料，找一找如果我们在航天飞机中，哪些实验仪器无法使用？
板书设计
(
超重和失重
超重
失重
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。
条件：
物体具有向上的加速度
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。
条件：
物体具有向下的加速度
完全失重
定义：
物体对支持物
的压力
（或对悬挂物的拉力）等于零
。
条件：
物体以加速度
a
=
g
竖直加速下降
。
)