5.5 超重与失重 课件 (共38张PPT)高一物理鲁科版必修第一册

(共38张PPT)
第5章 牛顿运动定律
第5节 超重与失重
当你乘坐游乐场的游乐装置(图5-23)加速下降时好像心都提到了嗓子眼，这是为什么
宇宙飞船升空时，航天员要平躺着，而且会感觉胸部受到压力，这又是为什么
本节将通过牛顿运动定律来理解超重和失重现象。
1.超重现象
要知道一个物体所受的重力有多大，直接的办法是利用测力计对它进行测量。
那么，是否无论物体处于什么样的运动状态，用这种办法都能准确测出物体所受重力呢 下面我们做一个小实验。
迷你实验室
通过弹警测力计观察超重
现象在弹簧测力计上挂一个重物，观察并记下静止时测力计的示数。
让往着重物的测力计缓缓弛向上或向下做匀速运动，观察测力计的示数有无变化。
使挂着重物的测力计突然坚直向上做加速运动(图5-24)，仔细观察在加速的瞬间测力计示数有无变化。如有变化，是变大还是变小
由实验可知，在静止和匀速直线运动状态下，测力计的示数保持不变，而在竖直向上加速时，测力计的示数变大。为什么会有这种现象呢
重物的受力和运动情况如图5-25所示。重物受到重力G和测力计在竖直方向拉力 T的作用，以加速度a 竖直向上加速运动。若取竖直向上为正方向，根据牛顿第二定律可得T –G = ma
所以 T= ma+G >G
根据牛顿第三定律，测力计的示数(重物对测力计的拉力大小)等于测力计对重物的拉力 T。可见，当重物竖直向上加速运动时，测力计示数要大于重物所受的重力。
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现象。
人们乘电梯加速上升时，就处于超重状态。
2.失重现象
在游乐场的升降机中，若我们以乘坐升降机的人为研究对象，人受到重力G和座椅在竖直方向的支持力N的作用如图5-26所示。
当升降机竖直向下加速时，加速度的方向竖直向下。取竖直向下为正方向，根据牛顿第二定律可得：
G-N=ma
所以 N=G-ma=m(g-a)根据牛顿第三定律，人对座椅的压力大小等于N。可见，当物体竖直向下加速时，人对座椅的压力小于人所受的重力。
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，这称为完全失重现象。
我们在游乐场乘坐升降机做自由落体运动时，就处于完全失重状态。
物理聊吧
在超重或失重现象中，物体受到的重力大小是否改变 若人对座椅的压力为0,是否可以认为人所受的重力就为0 为什么
例题
一个质量为70kg的人乘电梯下楼。若电梯以3m/s的加速度匀减速下降[图5-27(a)]，求这时他对电梯地板的压力。(取重力加速度g=10m/s 2)
分析
人向下做匀减速直线运动，说明加速度方向与速度方向相反，即加速度方向向上。可根据牛顿第二定律求出支持力，然后由牛顿第三定律求得人对地板的压力。
解：以人为研究对象，受力分析如图5-27(b)所示。
取竖直向上为正方向，设电梯地板对人的支持力大小为V。
根据牛顿第二定律可得：N-mg=ma
所以
N=m(a+g)
=70×(3+10)N
=910N
根据牛顿第三定律，人对地板的压力大小也等于910N，方向竖直向下。
讨论
人对电梯地板的压力大于自身重力，出现超重现象。无论物体是向上运动还是向下运动，只要加速度方向向上，就必然产生超重现象。该情境中若加速度较大，人会有怎样的感受
迁 移
若加速度方向向下，情况会怎么样呢
在例题中，若电梯离开某楼层匀加速下降，其他条件不变，则人对电梯地板的压力又为多大
请计算得出结果。
科学书屋
航天器中的超重和失重
航天器加速升空和减速返回地面时，其上的一切物体都会处于超重状态。如果航天员站立或坐着，在超重情况下，会出现足部血压升高、头部供血不足等现象,轻则引起视觉障碍，重则发生晕厥。
因此，航天员应平躺于座椅上(图5-28)，这样可减轻超重对人体的影响。
航天器进入轨道后，所有物体都
近似处于完全失重状态。
观看我国航天员王亚平进行太空校课的视频，你会发现若干失重现象:
悬浮于空中的圆形水球(图5-29)、不断转圈的单摆、飘来飘去的航天员等。这些都是我们在地面上无法体验到的完全失重现象。
节练习
1.某同学手提一袋水果站在电梯内。在下列四种情形中，手受到的拉力最大的是 （ ）
A电梯匀速上升
B.电梯匀速下降
C电梯加速上升
D,电梯加速下降
2.为了观察超重和失重现象，质量为50 kg的小红站在电梯内的体重计上，如图所示。求电梯处于下列运动状态时体重计的示效:( 取重力加速度g=10m/s)
(1)电梯匀速上升
电梯匀速上升,加速度为0,体重计的示数为
F1 = mg = 500N
(2)电梯以0.8m/s2的加速度匀加速上升。
电梯以0.8m/s2的加速度匀加速上升,由牛顿第二定律可得：
F1 - mg=ma2
代入数据解得F1 =540N。
(3)电梯以0.8m/s2的加速度匀减速上升。
电梯以0.8m/s2的加速度匀减速上升,由牛顿第二定律可得：
mg-F3=ma3
代入数据解得F3=460N。
3.如图所示，用一根绳子提一桶水，桶和桶中水的总质量为 5 kg。假定绳子能够承受的最大拉力为52.5 N，取重力加速度g=9.8m/s2，若将水桶从静止开始以1.5m/s2的加速度匀加速提起，请通过计算说明绳子是否会断开。
匀加速提起水桶,对水桶分析有
T-mg=ma
代入数据可解得
T=m(g+a)=5×(9.8+1.5)=56.5N
由于T=565N>525N则拉力大于绳子的最大承受力,所以绳子会断开。
4.你站在水平地面上，在迅速蹲下的过程中，你对地面的压力大小与重力相比，会如何变化 请说明理由。
迅速蹲下的过程中，可分为两个过程，先是向下做加速运动处于失重状态，后来向下做减速运动处于超重状态，其加速度先向下，后向上，则地面对你的支持力先是比重力小，后来支持力比重力大，由牛顿第三定律可得你对地面的压力，开始压力比重力小，后来压力比重力大。
5.在一个上开口的整料瓶侧壁的下部打几个小孔，在瓶内灌水之后，发现有水不断从小孔中流出。让瓶子做自由落体运动，观察下落过程中小孔是否有水流出。请解释产生这一现象的原因。如果将瓶子坚直向上抛出，小孔有没有水流出
将塑料瓶自由下落，由于空气阻力不计，塑料瓶及水的加速度都等于重力加速度，处于完全失重状态，故塑料瓶中各层水之间没有压力，在下落过程中，水不会从孔中流出。
6.查阅资料，了解在航天器上进行的微重力条件下的实验，并尝试设计一种在微重力条件下进行实验的方案。
实验目的:研究“微重力”环境下蜡烛的燃烧情况
仪器设备:蜡烛一根;
理论意义:进行“微重力”环境下的点火燃烧实验，火焰在失去“重力”支撑后形成了奇异的现象，形成的燃烧产物也不同于地面微重力环境下的各种独特现象可以激发兴趣，开拓了空间材料科学、空间生物技术和空间生命科学发展的新天地成为许多技术问题的科学基础。