6.超重和失重
课程标准 素养目标
1.能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。 2.通过实验,认识超重和失重现象。 3.通过各种活动,例如乘坐电梯、到游乐场参与有关游乐活动等,体验失重与超重。 1.理解超重和失重现象。 (物理观念) 2.运用牛顿运动定律分析竖直方向的动力学问题。 (科学思维) 3.结合牛顿运动定律分析生活中的现象,体验失重和超重。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.超重和失重的性质:
任务 建议
超重和 失重的 性质 (1)课前让学生体验电梯内的超重、失重现象,课堂上让学生交流观察到的现象。 (2)课上可让学生观察并分析人在体重计上下蹲过程中的现象,体会物理学的研究方法,理解超重、失重的本质。 (3)通过搜集航天器中的超、失重现象的实例,了解我国航天科技的成就,培养学生的自豪感和提高对科学知识的兴趣。
2.超重和失重的应用:
任务 建议
超重和 失重的 应用 (1)通过实例让学生辨析质量、重力和视重的概念。 (2)通过分析生产、生活中的超重和失重现象,掌握应用牛顿运动定律分析超重、失重的基本步骤。 (3)掌握超重、失重的本质。
【情境导引】
我国自行研制的“神舟五号”载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟五号”载人飞船执行任务的航天员是杨利伟。
“神舟十三号”航天员王亚平在中国空间站开展基础物理实验,为全国青少年进行太空授课。
问题导引:
(1)航天员在起飞阶段要几乎平躺在座椅上,这是为什么
(2)航天器发射成功后,航天器中的所有物体好像都“飞”了起来,这是为什么
课前自主学习
一、超重和失重的性质
1.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。
(2)产生条件:物体具有向上的加速度。
2.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。
(2)产生条件:物体具有向下的加速度。
3.完全失重:
(1)定义:物体对支持物(或对悬挂物)完全没有作用力的现象。
(2)产生条件:物体竖直向下的加速度等于g。
二、超重和失重的应用
设物体质量为m,在向上的拉力F作用下在竖直方向上运动,竖直方向加速度为a,重力加速度为g。
1.超重:由F-mg=ma可得F=mg+ma,即拉力大于重力。超重“ma”,加速度a越大,超重越多。
2.失重:由mg-F=ma可得F=mg-ma,即拉力小于重力。失重“ma”,加速度a越大,失重越多。
3.完全失重:由mg-F=ma和a=g联立解得F=0,即拉力为0,失重“mg”。
【易错辨析】
(1)用弹簧测力计测量重力时,弹簧测力计的示数一定等于物体的重力大小。 ( )
(2)人站在电梯中的体重计上,当电梯匀速上升时,其视重等于重力。 ( )
(3)人站在体重计上静止不动时视重等于重力。 ( )
(4)物体处于超重状态时重力增大了。 ( )
(5)做自由落体运动的物体处于完全失重状态。 ( )
提示:(1)×。失重或超重时弹簧测力计的示数不等于物体的重力大小。
(2)√
(3)√
(4)×。物体处于超重状态时重力大小没有改变。
(5)√
课堂合作探究
主题一 超重和失重的性质
【生活情境】
在乘竖直升降电梯上下楼时,你是否有这样的感觉:在电梯里上楼时,开始时觉得自己有“向下坠”的感觉,好像自己变重了,快到楼顶时又觉得自己有“向上飘”的感觉,好像自己变轻了。在电梯里,下楼时,开始觉得有种“向上飘”的感觉,背的书包也感觉变“轻”了,快到楼底时,觉得自己有种“向下坠”的感觉,背的书包也似乎变“重”了。
【问题探究】
(1)电梯向上启动瞬间加速度方向如何 人处于超重状态还是失重状态
提示:竖直向上,人处于超重状态。
(2)电梯向上将要到达目的地减速运动时加速度方向如何 人处于超重状态还是失重状态
提示:竖直向下,人处于失重状态。
(3)电梯下降启动的瞬间或下降到达目的地前减速运动时,人处于超重状态还是失重状态
提示:向下启动瞬间,加速度向下,人处于失重状态;向下减速运动时加速度向上,人处于超重状态。
【结论生成】
超重、失重和完全失重的比较
项目 超重现象 失重现象 完全失重
概念 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 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 物体对支持物(或对悬挂物)完全没有作用力的现象
产生 条件 物体的加速度方向竖直向上 物体的加速度方向竖直向下 物体的加速度方向竖直向下,大小a=g
【典例示范】
(2025·日照高一检测)蹦极是一项极限体育项目,运动员身拴弹性绳从高处跳下,在弹性绳被拉直前做自由落体运动。当弹性绳被拉直后,运动员继续下降,到达最低点后再向上运动。不计空气阻力,下列说法正确的是 ( )
A.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,一直处于失重状态
B.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,先处于超重状态后处于失重状态
C.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,一直处于超重状态
D.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,先处于超重状态后处于失重状态
【解析】选D。运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,一开始弹力小于重力,运动员继续向下加速运动,加速度方向向下,运动员处于失重状态,当弹力大于重力时,运动员向下减速运动,加速度方向向上,运动员处于超重状态,A、B错误;运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,一开始弹力大于重力,运动员向上加速运动,加速度方向向上,运动员处于超重状态,当弹力小于重力时,运动员向上减速运动,加速度方向向下,运动员处于失重状态,故C错误,D正确。
【易错警示】 超、失重问题的三点提醒
(1)物体处于超重或失重状态时,物体的重力并未变化。
(2)发生超重或失重现象只取决于加速度的方向,与物体的速度变化、大小均无关。
(3)完全失重状态的说明:在完全失重的状态下,平时一切由重力产生的物理现象都将完全消失,比如物体对支持物无压力、摆钟停止摆动、液体柱不再产生向下的压强等。靠重力才能使用的仪器将失效,不能再使用(如天平、液体气压计等)。
【探究训练】
1.“天问一号”的着陆器搭载“祝融号”火星车着陆火星,它们着陆前的最后一段运动可视为竖直方向的减速运动。在该过程中 ( )
A.“祝融号”与着陆器都处于超重状态
B.“祝融号”与着陆器都处于失重状态
C.“祝融号”对着陆器的作用力大于着陆器对“祝融号”的作用力
D.“祝融号”对着陆器的作用力小于着陆器对“祝融号”的作用力
【解析】选A。着陆前的最后一段运动可视为竖直方向的减速运动,故加速度方向竖直向上,“祝融号”与着陆器都处于超重状态,故A正确,B错误;“祝融号”对着陆器的作用力与着陆器对“祝融号”的作用力大小相等,为相互作用力,故C、D错误。
2.(多选)在升降电梯内的地面上放一体重计,电梯静止时,晓敏同学站在体重计上,体重计示数为50 kg,电梯运动过程中,某一段时间内晓敏同学发现体重计示数如图所示,在这段时间内下列说法正确的是 ( )
A.晓敏同学所受的重力变小了
B.晓敏对体重计的压力小于晓敏的重力
C.电梯一定在竖直向下运动
D.电梯的加速度大小为,方向一定竖直向下
【解析】选B、D。晓敏在这段时间内处于失重状态,晓敏对体重计的压力变小了,而晓敏的重力没有改变,A错误,B正确;人处于失重状态,加速度向下,可能向上减速运动,也可能向下加速运动,故C错误;以竖直向下为正方向,有:mg-F=ma,即50g-40g=50a,解得a=,方向竖直向下,故D正确。
主题二 超重和失重的应用
【生活情境】
大型游乐设备探空梭可以让乘客体会失重、超重。
【问题探究】
乘客乘上设备后,座舱以压缩空气为动力气压,沿着垂直的轨道,以每秒20余米的速度弹射到四十余米的高空,随即又以自由落体向下跌落,然后再次向上弹射,如此循环两次后,靠压缩空气的有序释放,座舱缓缓下降,直至站台。这是一种极为刺激,而又非常安全的游乐设备。
试从受力的角度、加速度的角度、运动的角度分析乘客何时超重、何时失重
提示:超重时:支持力大于重力,加速度向上,向上加速或向下减速;失重时:支持力小于重力,加速度向下,向上减速或向下加速。
【结论生成】
1.超重、失重的比较及有关计算:
状 态 加速 度 F与重力 关系 运动情况 受力示 意图
平 衡 a=0 由F-mg=0得 F=mg 静止或匀速直线运动
超 重 向上 由F-mg=ma得 F=m(g+a)>mg 向上加速或向下减速
失 重 向下 由mg-F=ma得 F=m(g-a)完 全 失 重 a=g 由mg-F=ma 得F=0 自由落体运动,抛体运动
2.判断物体超重与失重的方法:
(1)从受力的角度判断:
超重:物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力。
失重:物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力。
完全失重:物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)为零。
(2)从加速度的角度判断:
①当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时,处于超重状态。
根据牛顿第二定律:N-mg=ma,此时N>mg,即处于超重状态。
②当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时,处于失重状态。
根据牛顿第二定律:mg-N=ma,此时N③当物体的加速度为g时,处于完全失重状态,根据牛顿第二定律:mg-N=ma,此时a=g,即N=0。
【特别提醒】
(1)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。
(2)求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。
【典例示范】
上海中心大厦是中国的最高楼,为方便B2层的游客到达118层的观光厅或从118层返回,楼中配置了超高速电梯。质量为66 kg的小明通过视频记录电梯上行数据(如图为视频截图)。由视频可知,电梯上行经历了从静止开始加速、匀速、减速到停下的过程,且加速过程和减速过程的时间相等。电梯起始位置为-13 m,终止位置为545 m,上行速度最大达18 m/s,上行时间为53 s。若将加速过程与减速过程视为匀变速直线运动,g取10 m/s2。求:
(1)加速运行时间;
(2)超重时,电梯对小明的支持力。
【解析】(1)由于电梯运行过程中加速和减速过程的时间相等,则
t1+vt2+t1=x2-x1
2t1+t2=t
联立解得t1=22 s。
(2)当电梯向上匀加速运动时,处于超重状态,所以F-mg=ma,a=
联立解得F=714 N
方向竖直向上。
答案:(1)22 s (2)714 N 方向竖直向上
【探究训练】
1.(2025·青岛高一检测)某质量为60 kg的人站在随电梯运动的台秤上观看自身体重随电梯运动的变化情况,若电梯运动的v-t图像如图所示(取电梯向上运动的方向为正,g取10 m/s2)。下列表述正确的是 ( )
A.0~2 s内,台秤示数为660 N,电梯加速上升,人处于失重状态
B.0~2 s内,台秤示数为540 N,电梯加速上升,人处于超重状态
C.5~6 s内,台秤示数为720 N,电梯减速上升,人处于超重状态
D.5~6 s内,台秤示数为480 N,电梯减速上升,人处于失重状态
【解析】选D。0~2 s内,加速度大小是1 m/s2,根据牛顿第二定律和牛顿第三定律得台秤示数为660 N,电梯加速上升,加速度方向向上,所以人处于超重状态,A、B错误;5~6 s内,加速度大小是2 m/s2,加速度方向向下,根据牛顿第二定律和牛顿第三定律得台秤示数为480 N,人处于失重状态,C错误,D正确。
2.一个同学在竖直升降的电梯内,探究超重与失重现象。该同学站在磅秤上的总质量为50 kg,电梯由静止开始向下做匀加速运动,这时开始计时。该同学在磅秤上的示数随时间变化情况的F-t图线如图所示,最后电梯恰好停在地面上,重力加速度取g=10 m/s2,求:
(1)电梯做匀速运动时的速度大小;
(2)电梯降落的总位移的大小。
【解析】(1)对于启动状态有:mg-F1=ma1,
代入数据得:a1=2 m/s2,
6 s末的速度v=a1t1=2×6 m/s=12 m/s,
即电梯做匀速运动时的速度大小为12 m/s。
(2)加速下降的位移
x1=a1=×2×62 m=36 m,
匀速运动的位移
x2=vt2=12×6 m=72 m,
对于制动状态有:F3-mg=ma3,
代入数据得:a3=4 m/s2
制动的时间
t3== s=3 s,
制动的位移
x3=vt3=×12×3 m=18 m,
x=x1+x2+x3=36 m+72 m+18 m=126 m。
答案:(1)12 m/s (2)126 m
【课堂回眸】
课时巩固 请使用 课时素养检测 二十四6.超重和失重
课程标准 素养目标
1.能用牛顿运动定律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。 2.通过实验,认识超重和失重现象。 3.通过各种活动,例如乘坐电梯、到游乐场参与有关游乐活动等,体验失重与超重。 1.理解超重和失重现象。 (物理观念) 2.运用牛顿运动定律分析竖直方向的动力学问题。 (科学思维) 3.结合牛顿运动定律分析生活中的现象,体验失重和超重。 (科学态度与责任)
高端教学引领
【教学建议】
1.超重和失重的性质:
任务 建议
超重和 失重的 性质 (1)课前让学生体验电梯内的超重、失重现象,课堂上让学生交流观察到的现象。 (2)课上可让学生观察并分析人在体重计上下蹲过程中的现象,体会物理学的研究方法,理解超重、失重的本质。 (3)通过搜集航天器中的超、失重现象的实例,了解我国航天科技的成就,培养学生的自豪感和提高对科学知识的兴趣。
2.超重和失重的应用:
任务 建议
超重和 失重的 应用 (1)通过实例让学生辨析质量、重力和视重的概念。 (2)通过分析生产、生活中的超重和失重现象,掌握应用牛顿运动定律分析超重、失重的基本步骤。 (3)掌握超重、失重的本质。
【情境导引】
我国自行研制的“神舟五号”载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟五号”载人飞船执行任务的航天员是杨利伟。
“神舟十三号”航天员王亚平在中国空间站开展基础物理实验,为全国青少年进行太空授课。
问题导引:
(1)航天员在起飞阶段要几乎平躺在座椅上,这是为什么
(2)航天器发射成功后,航天器中的所有物体好像都“飞”了起来,这是为什么
课前自主学习 1.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。
(2)产生条件:物体具有向上的加速度。
2.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。
(2)产生条件:物体具有向下的加速度。
3.完全失重:
(1)定义:物体对支持物(或对悬挂物)完全没有作用力的现象。
(2)产生条件:物体竖直向下的加速度等于g。 设物体质量为m,在向上的拉力F作用下在竖直方向上运动,竖直方向加速度为a,重力加速度为g。
1.超重:由F-mg=ma可得F=mg+ma,即拉力大于重力。超重“ma”,加速度a越大,超重越多。
2.失重:由mg-F=ma可得F=mg-ma,即拉力小于重力。失重“ma”,加速度a越大,失重越多。
3.完全失重:由mg-F=ma和a=g联立解得F=0,即拉力为0,失重“mg”。
【易错辨析】
(1)用弹簧测力计测量重力时,弹簧测力计的示数一定等于物体的重力大小。 ( )
(2)人站在电梯中的体重计上,当电梯匀速上升时,其视重等于重力。 ( )
(3)人站在体重计上静止不动时视重等于重力。 ( )
(4)物体处于超重状态时重力增大了。 ( )
(5)做自由落体运动的物体处于完全失重状态。 ( )
提示:(1)×。失重或超重时弹簧测力计的示数不等于物体的重力大小。
(2)√
(3)√
(4)×。物体处于超重状态时重力大小没有改变。
(5)√
课堂合作探究 【生活情境】
在乘竖直升降电梯上下楼时,你是否有这样的感觉:在电梯里上楼时,开始时觉得自己有“向下坠”的感觉,好像自己变重了,快到楼顶时又觉得自己有“向上飘”的感觉,好像自己变轻了。在电梯里,下楼时,开始觉得有种“向上飘”的感觉,背的书包也感觉变“轻”了,快到楼底时,觉得自己有种“向下坠”的感觉,背的书包也似乎变“重”了。
【问题探究】
(1)电梯向上启动瞬间加速度方向如何 人处于超重状态还是失重状态
提示:竖直向上,人处于超重状态。
(2)电梯向上将要到达目的地减速运动时加速度方向如何 人处于超重状态还是失重状态
提示:竖直向下,人处于失重状态。
(3)电梯下降启动的瞬间或下降到达目的地前减速运动时,人处于超重状态还是失重状态
提示:向下启动瞬间,加速度向下,人处于失重状态;向下减速运动时加速度向上,人处于超重状态。
【结论生成】
超重、失重和完全失重的比较
项目 超重现象 失重现象 完全失重
概念 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 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 物体对支持物(或对悬挂物)完全没有作用力的现象
产生 条件 物体的加速度方向竖直向上 物体的加速度方向竖直向下 物体的加速度方向竖直向下,大小a=g
【典例示范】
(2025·日照高一检测)蹦极是一项极限体育项目,运动员身拴弹性绳从高处跳下,在弹性绳被拉直前做自由落体运动。当弹性绳被拉直后,运动员继续下降,到达最低点后再向上运动。不计空气阻力,下列说法正确的是 ( )
A.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,一直处于失重状态
B.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,先处于超重状态后处于失重状态
C.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,一直处于超重状态
D.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,先处于超重状态后处于失重状态 【易错警示】 超、失重问题的三点提醒
(1)物体处于超重或失重状态时,物体的重力并未变化。
(2)发生超重或失重现象只取决于加速度的方向,与物体的速度变化、大小均无关。
(3)完全失重状态的说明:在完全失重的状态下,平时一切由重力产生的物理现象都将完全消失,比如物体对支持物无压力、摆钟停止摆动、液体柱不再产生向下的压强等。靠重力才能使用的仪器将失效,不能再使用(如天平、液体气压计等)。
【探究训练】
1.“天问一号”的着陆器搭载“祝融号”火星车着陆火星,它们着陆前的最后一段运动可视为竖直方向的减速运动。在该过程中 ( )
A.“祝融号”与着陆器都处于超重状态
B.“祝融号”与着陆器都处于失重状态
C.“祝融号”对着陆器的作用力大于着陆器对“祝融号”的作用力
D.“祝融号”对着陆器的作用力小于着陆器对“祝融号”的作用力 2.(多选)在升降电梯内的地面上放一体重计,电梯静止时,晓敏同学站在体重计上,体重计示数为50 kg,电梯运动过程中,某一段时间内晓敏同学发现体重计示数如图所示,在这段时间内下列说法正确的是 ( )
A.晓敏同学所受的重力变小了
B.晓敏对体重计的压力小于晓敏的重力
C.电梯一定在竖直向下运动
D.电梯的加速度大小为,方向一定竖直向下 【生活情境】
大型游乐设备探空梭可以让乘客体会失重、超重。
【问题探究】
乘客乘上设备后,座舱以压缩空气为动力气压,沿着垂直的轨道,以每秒20余米的速度弹射到四十余米的高空,随即又以自由落体向下跌落,然后再次向上弹射,如此循环两次后,靠压缩空气的有序释放,座舱缓缓下降,直至站台。这是一种极为刺激,而又非常安全的游乐设备。
试从受力的角度、加速度的角度、运动的角度分析乘客何时超重、何时失重
提示:超重时:支持力大于重力,加速度向上,向上加速或向下减速;失重时:支持力小于重力,加速度向下,向上减速或向下加速。
【结论生成】
1.超重、失重的比较及有关计算:
状 态 加速 度 F与重力 关系 运动情况 受力示 意图
平 衡 a=0 由F-mg=0得 F=mg 静止或匀速直线运动
超 重 向上 由F-mg=ma得 F=m(g+a)>mg 向上加速或向下减速
失 重 向下 由mg-F=ma得 F=m(g-a)完 全 失 重 a=g 由mg-F=ma 得F=0 自由落体运动,抛体运动
2.判断物体超重与失重的方法:
(1)从受力的角度判断:
超重:物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力。
失重:物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力。
完全失重:物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)为零。
(2)从加速度的角度判断:
①当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时,处于超重状态。
根据牛顿第二定律:N-mg=ma,此时N>mg,即处于超重状态。
②当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时,处于失重状态。
根据牛顿第二定律:mg-N=ma,此时N③当物体的加速度为g时,处于完全失重状态,根据牛顿第二定律:mg-N=ma,此时a=g,即N=0。
【特别提醒】
(1)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。
(2)求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。
【典例示范】
上海中心大厦是中国的最高楼,为方便B2层的游客到达118层的观光厅或从118层返回,楼中配置了超高速电梯。质量为66 kg的小明通过视频记录电梯上行数据(如图为视频截图)。由视频可知,电梯上行经历了从静止开始加速、匀速、减速到停下的过程,且加速过程和减速过程的时间相等。电梯起始位置为-13 m,终止位置为545 m,上行速度最大达18 m/s,上行时间为53 s。若将加速过程与减速过程视为匀变速直线运动,g取10 m/s2。求:
(1)加速运行时间;
(2)超重时,电梯对小明的支持力。 【探究训练】
1.(2025·青岛高一检测)某质量为60 kg的人站在随电梯运动的台秤上观看自身体重随电梯运动的变化情况,若电梯运动的v-t图像如图所示(取电梯向上运动的方向为正,g取10 m/s2)。下列表述正确的是 ( )
A.0~2 s内,台秤示数为660 N,电梯加速上升,人处于失重状态
B.0~2 s内,台秤示数为540 N,电梯加速上升,人处于超重状态
C.5~6 s内,台秤示数为720 N,电梯减速上升,人处于超重状态
D.5~6 s内,台秤示数为480 N,电梯减速上升,人处于失重状态 2.一个同学在竖直升降的电梯内,探究超重与失重现象。该同学站在磅秤上的总质量为50 kg,电梯由静止开始向下做匀加速运动,这时开始计时。该同学在磅秤上的示数随时间变化情况的F-t图线如图所示,最后电梯恰好停在地面上,重力加速度取g=10 m/s2,求:
(1)电梯做匀速运动时的速度大小;
(2)电梯降落的总位移的大小。 【课堂回眸】
(共33张PPT)
6.超重和失重
01
02
03
高端教学引领
课前自主学习
课堂合作探究
课程标准 素养目标
1.能用牛顿运动定律解释生产生 活中的有关现象、解决有关问题。 2.通过实验,认识超重和失重现象。 3.通过各种活动,例如乘坐电梯、 到游乐场参与有关游乐活动等, 体验失重与超重。 1.理解超重和失重现象。(物理观念)
2.运用牛顿运动定律分析竖直方向
的动力学问题。(科学思维)
3.结合牛顿运动定律分析生活中的
现象,体验失重和超重。(科学态度
与责任)
01
高端教学引领
【教学建议】
1.超重和失重的性质:
任务 建议
超重和 失重的 性质 (1)课前让学生体验电梯内的超重、失重现象,课堂上让学生
交流观察到的现象。
(2)课上可让学生观察并分析人在体重计上下蹲过程中的现
象,体会物理学的研究方法,理解超重、失重的本质。
(3)通过搜集航天器中的超、失重现象的实例,了解我国航天
科技的成就,培养学生的自豪感和提高对科学知识的兴趣。
2.超重和失重的应用:
任务 建议
超重和 失重的 应用 (1)通过实例让学生辨析质量、重力和视重的概念。
(2)通过分析生产、生活中的超重和失重现象,掌握应用牛顿
运动定律分析超重、失重的基本步骤。
(3)掌握超重、失重的本质。
【情境导引】
我国自行研制的“神舟五号”载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。
这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐“神舟五号”载人飞船执行任务的航
天员是杨利伟。
“神舟十三号”航天员王亚平在中国空间站开
展基础物理实验,为全国青少年进行太空授课。
问题导引:
(1)航天员在起飞阶段要几乎平躺在座椅上,这是为什么
(2)航天器发射成功后,航天器中的所有物体好像都“飞”了起来,这是为什么
02
课前自主学习
一、超重和失重的性质
1.超重:
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)_____物体所受重力的现象。
(2)产生条件:物体具有_____的加速度。
2.失重:
(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)_____物体所受重力的现象。
(2)产生条件:物体具有_____的加速度。
3.完全失重:
(1)定义:物体对支持物(或对悬挂物)_______________的现象。
(2)产生条件:物体竖直_____的加速度等于__。
大于
向上
小于
向下
完全没有作用力
向下
g
二、超重和失重的应用
设物体质量为m,在向上的拉力F作用下在竖直方向上运动,竖直方向加速度
为a,重力加速度为g。
1.超重:由______=ma可得F=_______,即拉力_____重力。超重“ma”,加速度a
越大,超重越多。
2.失重:由______=ma可得F=_______,即拉力_____重力。失重“ma”,加速度a
越大,失重越多。
3.完全失重:由mg-F=ma和a=__联立解得F=__,即拉力为__,失重“mg”。
F-mg
mg+ma
大于
mg-F
mg-ma
小于
g
0
0
【易错辨析】
(1)用弹簧测力计测量重力时,弹簧测力计的示数一定等于物体的重力大小。( )
(2)人站在电梯中的体重计上,当电梯匀速上升时,其视重等于重力。( )
(3)人站在体重计上静止不动时视重等于重力。( )
(4)物体处于超重状态时重力增大了。( )
(5)做自由落体运动的物体处于完全失重状态。( )
提示:(1)×。失重或超重时弹簧测力计的示数不等于物体的重力大小。
(2)√
(3)√
(4)×。物体处于超重状态时重力大小没有改变。
(5)√
03
课堂合作探究
主题一 超重和失重的性质
【生活情境】
在乘竖直升降电梯上下楼时,你是否有这样的感觉:在电梯里上楼时,开始时
觉得自己有“向下坠”的感觉,好像自己变重了,快到楼顶时又觉得自己有“向
上飘”的感觉,好像自己变轻了。在电梯里,下楼时,开始觉得有种“向上飘”
的感觉,背的书包也感觉变“轻”了,快到楼底时,觉得自己
有种“向下坠”的感觉,背的书包也似乎变“重”了。
【问题探究】
(1)电梯向上启动瞬间加速度方向如何 人处于超重状态还是失重状态
提示:竖直向上,人处于超重状态。
(2)电梯向上将要到达目的地减速运动时加速度方向如何 人处于超重状态还是
失重状态
提示:竖直向下,人处于失重状态。
(3)电梯下降启动的瞬间或下降到达目的地前减速运动时,人处于超重状态还是
失重状态
提示:向下启动瞬间,加速度向下,人处于失重状态;向下减速运动时加速度向上,人
处于超重状态。
【结论生成】
超重、失重和完全失重的比较
项目 超重现象 失重现象 完全失重
概念 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 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 物体对支持物(或对悬
挂物)完全没有作用力
的现象
产生 条件 物体的加速度方向竖 直向上 物体的加速度方向竖 直向下 物体的加速度方向竖
直向下,大小a=g
【典例示范】
(2025·日照高一检测)蹦极是一项极限体育项目,运动员身拴弹性绳从高处
跳下,在弹性绳被拉直前做自由落体运动。当弹性绳被拉直后,运动员继续
下降,到达最低点后再向上运动。不计空气阻力,下列说法正确的是( )
A.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,一直处于失重状态
B.运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,先处于超重状态后处于失重状态
C.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,一直处于超重状态
D.运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,先处于超重状态后处于失重状
态
√
【解析】选D。运动员下降过程中,在弹性绳被拉直后,一开始弹力小于重
力,运动员继续向下加速运动,加速度方向向下,运动员处于失重状态,当弹
力大于重力时,运动员向下减速运动,加速度方向向上,运动员处于超重状
态,A、B错误;运动员上升过程中,在弹性绳恢复原长前,一开始弹力大于重
力,运动员向上加速运动,加速度方向向上,运动员处于超重状态,当弹力小
于重力时,运动员向上减速运动,加速度方向向下,运动员处于失重状态,故C
错误,D正确。
【易错警示】 超、失重问题的三点提醒
(1)物体处于超重或失重状态时,物体的重力并未变化。
(2)发生超重或失重现象只取决于加速度的方向,与物体的速度变化、大小
均无关。
(3)完全失重状态的说明:在完全失重的状态下,平时一切由重力产生的物理
现象都将完全消失,比如物体对支持物无压力、摆钟停止摆动、液体柱不
再产生向下的压强等。靠重力才能使用的仪器将失效,不能再使用(如天平、
液体气压计等)。
【探究训练】
1.“天问一号”的着陆器搭载“祝融号”火星车着陆火星,它们着陆前的最后一段运
动可视为竖直方向的减速运动。在该过程中( )
A.“祝融号”与着陆器都处于超重状态
B.“祝融号”与着陆器都处于失重状态
C.“祝融号”对着陆器的作用力大于着陆器对“祝融号”的作用力
D.“祝融号”对着陆器的作用力小于着陆器对“祝融号”的作用力
【解析】选A。着陆前的最后一段运动可视为竖直方向的减速运动,故加速度方
向竖直向上,“祝融号”与着陆器都处于超重状态,故A正确,B错误;“祝融号”对着陆
器的作用力与着陆器对“祝融号”的作用力大小相等,为相互作用力,故C、D错误。
√
2.(多选)在升降电梯内的地面上放一体重计,电梯静止时,晓敏同学站在体重计上,体重计示
数为50 kg,电梯运动过程中,某一段时间内晓敏同学发现体重计示数如图所示,在这段时间
内下列说法正确的是 ( )
A.晓敏同学所受的重力变小了
B.晓敏对体重计的压力小于晓敏的重力
C.电梯一定在竖直向下运动
D.电梯的加速度大小为,方向一定竖直向下
【解析】选B、D。晓敏在这段时间内处于失重状态,晓敏对体重计的压力变小了,而晓敏
的重力没有改变,A错误,B正确;人处于失重状态,加速度向下,可能向上减速运动,也可能向
下加速运动,故C错误;以竖直向下为正方向,有:mg-F=ma,即50g-40g=50a,解得a=,方向竖直
向下,故D正确。
√
√
主题二 超重和失重的应用
【生活情境】
大型游乐设备探空梭可以让乘客体会失重、超重。
【问题探究】
乘客乘上设备后,座舱以压缩空气为动力气压,沿着垂直的轨道,以每秒20余
米的速度弹射到四十余米的高空,随即又以自由落体向下跌落,然后再次向
上弹射,如此循环两次后,靠压缩空气的有序释放,座舱缓缓下降,直至站台。
这是一种极为刺激,而又非常安全的游乐设备。
试从受力的角度、加速度的角度、运动的角度分析乘客何时超重、何时
失重
提示:超重时:支持力大于重力,加速度向上,向上加速或向下减速;失重时:支
持力小于重力,加速度向下,向上减速或向下加速。
【结论生成】
1.超重、失重的比较及有关计算:
状态 加速度 F与重力关系 运动情况 受力示意图
平 衡 a=0 由F-mg=0得 F=mg 静止或匀速 直线运动
超 重 向上 由F-mg=ma得 F=m(g+a)>mg 向上加速或 向下减速
状态 加速度 F与重力关系 运动情况 受力示意图
失 重 向下 由mg-F=ma得 F=m(g-a)完 全 失 重 a=g 由mg-F=ma 得F=0 自由落体运 动,抛体运动
2.判断物体超重与失重的方法:
(1)从受力的角度判断:
超重:物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力。
失重:物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力。
完全失重:物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)为零。
(2)从加速度的角度判断:
①当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时,处于超重状态。
根据牛顿第二定律:N-mg=ma,此时N>mg,即处于超重状态。
②当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时,处于失重状态。
根据牛顿第二定律:mg-N=ma,此时N③当物体的加速度为g时,处于完全失重状态,根据牛顿第二定律:mg-N=ma,
此时a=g,即N=0。
【特别提醒】
(1)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。
(2)求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。
【典例示范】
上海中心大厦是中国的最高楼,为方便B2层的游客到达118层的观光厅或从
118层返回,楼中配置了超高速电梯。质量为66 kg的小明通过视频记录电
梯上行数据(如图为视频截图)。由视频可知,电梯上行经历了从静止开始
加速、匀速、减速到停下的过程,且加速过程和减速过程的时间相等。电
梯起始位置为-13 m,终止位置为545 m,上行速度最大达18 m/s,上行时间为
53 s。若将加速过程与减速过程视为匀变速
直线运动,g取10 m/s2。求:
(1)加速运行时间;
(2)超重时,电梯对小明的支持力。
【解析】(1)由于电梯运行过程中加速和减速过程的时间相等,则
t1+vt2+t1=x2-x1
2t1+t2=t
联立解得t1=22 s。
(2)当电梯向上匀加速运动时,处于超重状态,所以F-mg=ma,a=
联立解得F=714 N
方向竖直向上。
答案:(1)22 s (2)714 N 方向竖直向上
【探究训练】
1.(2025·青岛高一检测)某质量为60 kg的人站在随电梯运动的台秤上观看自身体
重随电梯运动的变化情况,若电梯运动的v-t图像如图所示(取电梯向上运动的方
向为正,g取10 m/s2)。下列表述正确的是( )
A.0~2 s内,台秤示数为660 N,电梯加速上升,人处于失重状态
B.0~2 s内,台秤示数为540 N,电梯加速上升,人处于超重状态
C.5~6 s内,台秤示数为720 N,电梯减速上升,人处于超重状态
D.5~6 s内,台秤示数为480 N,电梯减速上升,人处于失重状态
√
【解析】选D。0~2 s内,加速度大小是1 m/s2,根据牛顿第二定律和牛顿第
三定律得台秤示数为660 N,电梯加速上升,加速度方向向上,所以人处于超
重状态,A、B错误;5~6 s内,加速度大小是2 m/s2,加速度方向向下,根据牛顿
第二定律和牛顿第三定律得台秤示数为480 N,人处于失重状态,C错误,D正
确。
2.一个同学在竖直升降的电梯内,探究超重与失重现象。该同学站在磅秤
上的总质量为50 kg,电梯由静止开始向下做匀加速运动,这时开始计时。该
同学在磅秤上的示数随时间变化情况的F-t图线如图所示,最后电梯恰好停
在地面上,重力加速度取g=10 m/s2,求:
(1)电梯做匀速运动时的速度大小;
(2)电梯降落的总位移的大小。
【解析】(1)对于启动状态有:mg-F1=ma1,
代入数据得:a1=2 m/s2,
6 s末的速度v=a1t1=2×6 m/s=12 m/s,
即电梯做匀速运动时的速度大小为12 m/s。
(2)加速下降的位移
x1=a1=×2×62 m=36 m,
匀速运动的位移
x2=vt2=12×6 m=72 m,
对于制动状态有:F3-mg=ma3,
代入数据得:a3=4 m/s2
制动的时间
t3== s=3 s,
制动的位移
x3=vt3=×12×3 m=18 m,
x=x1+x2+x3=36 m+72 m+18 m=126 m。
答案:(1)12 m/s (2)126 m
【课堂回眸】
