2019版物理新教材人教必修一同步学案 ：4.6.超重和失重 Word版含答案

6.超重和失重
知识纲要导引,
核心素养目标,
物理观念
超重、失重、完全失重
科学思维
测量重力的方法
科学探究
探究超重失重现象及其实质
科学态度与责任
结合牛顿运动定律分析生活体验失重和超重
基 础 导 学
一、重力的测量(自学教材第105页“重力的测量”部分)
　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，利用牛顿第二定律可得：G＝mg.
　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．
二、超重和失重(自学教材第105、106页“超重和失重”部分)
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：物体具有竖直向下的加速度．
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，方向竖直向下．
【思考】
(1)物体向上运动时一定处于超重状态．(　　)
(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．(　　)
答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√
【教材解疑】(第106、107页)
[思考与讨论]
人站在力传感器上完成下蹲动作．观察计算机采集的图线．图1呈现的是某人下蹲过程中力传感器的示数随时间变化的情况．
很明显，图线直观地描绘了人在下蹲过程中力传感器的示数先变小，后变大，再变小，最后保持某一数值不变的全过程．
如图2，图线显示的是某人站在力传感器上，先“下蹲”后“站起”过程中力传感器的示数随时间的变化情况．
请你分析力传感器上的人“站起”过程中超重和失重的情况．
问题解答：人“站起”过程中，先是加速上升超重，到达一个最大速度后再减速上升失重，所以人“站起”过程先超重再失重．
[做一做]
在电梯地板上放一台体重计．站在体重计上，观察电梯启动、制动和运行过程中体重计示数的变化．
问题解答：设电梯向上运行，电梯启动过程体重计的示数变大且大于重力，人处于超重状态；电梯在制动过程中体重计的示数减小且小于重力，人处于失重状态；电梯在运行过程中体重计的示数不变且等于重力，人既不失重也不超重.
课 堂 探 究
主题一　对超重与失重的理解
1．重力与视重
(1)重力：是地面附近的物体由于地球的吸引而受到的力．物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化．
(2)视重：当物体竖直悬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．超重和失重的实质
(1)超重时，物体所受支持力(或拉力)与重力的合力方向向上，测力计的示数大于物体的重力．
(2)失重时，物体所受支持力(或拉力)与物体重力的合力方向向下，测力计的示数小于物体的重力．
(1)超重与失重不是物体本身重力变了，而是“视重”变化了．
(2)超重或失重都属于一种现象，是“力”的视觉体现.
空间站中的宇航员处于完全失重状态
3.超重、失重常对应的物体运动状态
(1)超重对应的运动状态：向上加速运动，向下减速运动．
(2)失重对应的运动状态：向上减速运动，向下加速运动．
4．对完全失重的解释
当物体具有向下的加速度g时，设支持物对物体的支持力(或悬挂物对物体的拉力)为F.由牛顿第二定律有：mg－F＝mg可得F＝0.完全失重现象是失重现象的极限.
,特别提醒,
完全失重状态下，一切由重力产生的物理现象都将完全消失．如：
气压计不能使用——因为液柱不再产生向下的压力
天平不能测质量——天平在任何条件下都平衡．
(1)下蹲过程：静止→向下加速→向下减速→静止．
(2)起立过程：静止→向上加速→向上减速→静止．
【典例示范】
例1　如图是某同学站在压力传感器上做下蹲—起立的动作时传感器记录的压力随时间变化的图线，纵坐标为压力，横坐标为时间．由图线可知，该同学的体重约为650 N，除此以外，还可以得到以下信息(　　)
A．1 s时人处在下蹲的最低点　　　　　　　　　　　
B．2 s时人处于下蹲静止状态
C．该同学做了2次下蹲—起立的动作
D．下蹲过程中人始终处于失重状态
解析：可通过以下表格对各选项逐一分析.
选项
过程分析
结论
A
人下蹲动作分别有失重和超重两个过程，先是加速下降失重，到达一个最大速度后再减速下降超重，对应先失重再超重，到达最低点后处于平衡状态，由图可知，t＝1 s时人仍然加速下降
×
B
由图可知在t＝2 s时刻人处于下蹲静止状态
√
C
人下蹲动作分别有失重和超重两个过程，先是加速下降失重，到达一个最大速度后再减速下降超重，对应先失重再超重，起立对应先超重再失重，对应图像可知，该同学做了一次下蹲—起立的动作
×
D
结合A的方向可知，下蹲过程先失重后超重
×
答案：B
,方法技巧,
判断超、失重有“三看”
一看“力”：物体受竖直向上的拉力(或支持力)大于重力时，处于超重状态；小于重力时，处于失重状态．
二看“加速度”：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；向下的加速度为重力加速度时，处于完全失重状态．
三看“速度”：物体向上加速或向下减速时，处于超重状态；物体向下加速或向上减速时，处于失重状态．,
训练1　(多选)如图所示，小敏正在做双脚跳台阶的健身运动．若忽略空气阻力，小敏起跳后，下列说法正确的是(　　)
A．上升过程处于超重状态 B．下降过程处于超重状态
C．上升过程处于失重状态 D．下降过程处于失重状态
解析：若忽略空气阻力，小敏起跳后，在空中运动的过程中只受重力，加速度就是重力加速度，则小敏起跳后，上升过程与下降过程均处于失重状态，故C、D两项正确．
答案：CD
主题二　定量分析超重、失重问题
　超重、失重现象原因的定量分析
特征状态
加速度
视重(F)与重力的关系
运动情况
受力图
平衡
a＝0
F＝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(g－a)向下加速或向上减速
完全失重
a＝g
F＝0
自由落体运动、抛体运动
,
超重和失重现象与物体的速度方向和大小无关，只取决于物体加速度的方向．
【典例示范】
例2　质量为60 kg的人站在升降机中的体重计上，如图所示，当升降机做下列
各种运动时，体重计的读数分别是多少？(g取10 m/s2)
(1)升降机匀速上升；
(2)升降机以4 m/s2的加速度匀加速上升；
(3)升降机以3 m/s2的加速度匀减速上升或匀加速下降．
解析：以人为研究对象进行受力分析，人受重力和支持力作用．
(1)升降机匀速上升时a＝0，所以有FN－mg＝0，即FN＝mg＝600 N
根据牛顿第三定律知FN′＝FN＝600 N.
(2)升降机匀加速上升时，加速度方向向上，人处于超重状态，取向上为正方向，则有FN1－mg＝ma1
所以FN1＝m(g＋a1)＝60×(10＋4) N＝840 N
根据牛顿第三定律知FN′1＝FN1＝840 N.
(3)升降机匀减速上升或匀加速下降时，加速度方向都向下，人都处于失重状态，取向下为正方向，则有mg－FN2＝ma2
所以FN2＝m(g－a2)＝60×(10－3) N＝420 N
根据牛顿第三定律知FN′2＝FN2＝420 N.
答案：(1)600 N　(2)840 N　(3)420 N
思路：
(1)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)选加速度方向为正方向；
(3)分析物体的受力情况；
(4)利用牛顿第二定律进行求解．
关键：确定物体加速度的大小和方向．
训练2　如图所示，用绳子将质量为2 kg的盘式弹簧秤吊起，使秤盘保持水平．在秤盘上放上质量为0.5 kg的砝码之后，使整个秤竖直向上运动，此时秤的指针示数为0.55 kg，不计空气阻力．(g取10 m/s2)求：
(1)盘式弹簧秤运动加速度的方向．
(2)盘式弹簧秤运动加速度的大小．
(3)绳子对盘式弹簧秤的拉力．
解析：(1)秤的指针示数为0.55 kg，大于砝码的质量，所以砝码受到的支持力大于其重力，砝码处于超重状态，可知加速度的方向向上．
(2)由牛顿第二定律：FN－mg＝ma，所以a＝＝ m/s2＝1 m/s2
(3)以弹簧秤与砝码组成的整体为研究对象，则：FT－(m＋M)g＝(m＋M)a
代入数据得：FT＝27.5 N，方向竖直向上．
答案：(1)盘式弹簧秤运动加速度的方向向上　(2)1 m/s2　(3)27.5 N，方向竖直向上
课 堂 达 标
1．[2019·湖南六校联盟高一联考]里约奥运会男子跳高决赛的比赛中，加拿大选手德劳因突出重围，以2米38的成绩夺冠(如图所示)．则(　　)
A．德劳因在最高点处于平衡状态
B．德劳因起跳以后在上升过程处于失重状态
C．德劳因起跳时地面对他的支持力等于他所受的重力
D．德劳因下降过程处于超重状态
解析：无论是上升过程还是下降过程，还是最高点，运动员的加速度始终向下，所以他处于失重状态，故A、D错误，B正确；起跳时运动员加速度的方向向上，地面对他的支持力大于他受到的重力，故C错误．故选B.
答案：B
2．在一个封闭装置中，用弹簧测力计测一物体的重力，根据读数与物体实际重力之间的关系，判断以下说法中正确的是(　　)
A．读数偏大，表明装置一定加速上升
B．读数偏小，表明装置一定加速下降
C．读数为0，表明装置运动的加速度等于重力加速度，但无法判断是向上运动还是向下运动
D．读数准确，表明装置一定匀速上升或下降
解析：读数偏大，表明装置处于超重状态，其加速度方向向上，可能的运动情况是加速上升或减速下降，故A项错误，同理知B项也错误．弹簧测力计读数为0，即完全失重，这表明整个装置运动的加速度等于重力加速度g，但是a＝g时，速度方向有可能向上，也有可能向下，还有可能沿其他方向，故C项正确．读数准确，装置可能静止，也可能正在向任意一个方向做匀速直线运动，故D项错误．
答案：C
3．2016年10月17日，“神舟十一号”载人飞船发射成功，如图所示．宇航员在火箭发射与飞船回收的过程中均要经受超重与失重的考验，下列说法正确的是(　　)
A．火箭加速上升时，宇航员处于超重状态
B．飞船落地前减速下落时，宇航员处于失重状态
C．火箭加速上升时，宇航员对座椅的压力小于自身重力
D．火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，宇航员处于失重状态
解析：火箭加速上升时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，对座椅的压力大于自身重力，选项A正确、C错误；飞船落地前减速下落时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，选项B错误；火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，加速度
方向向上，宇航员处于超重状态，选项D错误．
答案：A
4．[2019·福州高一检测]在升降电梯内的地板上放一体重计，电梯静止时，晓敏同学站在体重计上，体重计示数为30 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中正确的是(　　)
A．晓敏同学所受的重力变大了
B．电梯可能在竖直向下运动
C．晓敏对体重计的压力大于体重计对晓敏的支持力
D．电梯的加速度大小为g，方向竖直向下
解析：可通过以下表格对各选项逐一分析.
选项
过程分析
结论
A
体重计示数大于体重说明晓敏对体重计的压力大于重力，并不是体重变大
×
B
以人为研究对象，FN－mg＝ma求得a＝＝＝ g，方向向上，但电梯可能是向下做减速运动
√
C
晓敏对体重计的压力与体重计对晓敏的支持力是作用力与反作用力的关系，大小相等
×
D
由B项分析可知，电梯的加速度大小为g，方向竖直向上
×
答案：B
5．(多选)如图所示，电梯的顶部挂一个弹簧秤，秤下端挂了一个重物，电梯匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6 N，关于电梯的运动，以下说法正确的是(g取10 m/s2)(　　)
A．电梯可能向上加速运动，加速度大小为4 m/s2
B．电梯可能向下加速运动，加速度大小为4 m/s2
C．电梯可能向上减速运动，加速度大小为4 m/s2
D．电梯可能向下减速运动，加速度大小为4 m/s2
解析：电梯做匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10 N，可知重物的重力等于10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6 N，对重物，根据牛顿第二定律有mg－F＝ma，解得a＝4 m/s2，方向竖直向下，则电梯的加速度大小为4 m/s2，方向竖直向下，因此电梯可能向下做加速运动，也可能向上做减速运动，选项B、C正确．
答案：BC