2019 新教材鲁科物理必修一学案 第6章 第4节　超重与失重 Word版含答案

超重与失重
学习目标
核心素养形成脉络
1.知道超重和失重现象．
2．理解产生超重、失重现象的条件．
3．能够运用牛顿运动定律分析超重和失重现象．
一、超重现象
1．定义：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．
2．产生条件：物体具有竖直向上的加速度．
3．运动类型：超重物体做向上的加速运动或向下的减速运动．
二、失重现象
1．定义：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．
2．产生条件：物体具有竖直向下的加速度．
3．运动类型：失重物体做向上的减速运动或向下的加速运动．
4．完全失重
(1)定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)等于零的状态．
(2)产生条件：物体竖直向下的加速度等于重力加速度．
(3)在做自由落体运动时，处于完全失重状态．
思维辨析
(1)物体处于超重状态时，可能向下运动．(　　)
(2)物体处于超重状态时，是指物体的重力增大了．(　　)
(3)火箭加速上升时，宇航员处于失重状态．(　　)
(4)物体在完全失重的条件下，对支持它的支撑面压力为零．(　　)
(5)宇航员在太空中处于完全失重状态，所以说宇航员在太空中不受重力的作用．(　　)
提示：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
基础理解
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．下楼时，在电梯里，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．
(1)电梯向上启动瞬间加速度方向如何？人处于超重还是失重状态？
(2)电梯向上将要到达目的地减速运动时加速度方向如何？人处于超重还是失重状态？
(3)若电梯下降启动的瞬间或到达楼梯底前减速运动时，人处于超重还是失重状态？
提示：(1)竖直向上，超重．
(2)竖直向下，失重．
(3)向下启动瞬间，加速度向下，失重；向下减速运动时加速度向上，超重．
　对超重、失重现象的理解
问题导引
1．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，体重计的示数如何变化？为什么会发生这样的变化？
2．把台秤放在箱式电梯里，在秤盘里放着一物体，分析以下问题．
(1)什么情况下台秤示数会大于物体重力？发生超重时物体可能怎样运动？你能根据牛顿第二定律解释这一现象吗？
(2)什么情况下台秤示数会小于物体重力？发生失重时物体可能怎样运动？你能根据牛顿第二定律解释这一现象吗？
(3)什么是完全失重？完全失重时物体的重力消失了吗？
[要点提示]　1.体重计的示数先减小后增大，再减小到重力G.因为人在下蹲的过程中，重心下移，即向下做先加速后减速的运动，加速度的方向先向下后向上，所以人先处于失重状态再处于超重状态，最后处于平衡状态，故体重计的示数先减小后增大，再减小到重力G.
2．(1)物体具有向上的加速度时，台秤示数大于实际重力．物体可能加速上升或者减速下降．F＝m(g＋a)．
(2)物体具有向下的加速度时，台秤示数小于实际重力．物体可能减速上升或者加速下降．F＝m(g－a)．
(3)物体向下的加速度等于重力加速度时，物体只受重力，不再受支持力或者拉力．重力没有消失．
【核心深化】
1．视重
当将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、失重的分析
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) ＜mg
向下加速或向
上减速
完全失重
向下a＝g
F＝0
抛体运动、自由落体运动、卫星的运动等
　在完全失重状态下，由重力引起的现象将消失．例如：液体的压强、浮力将为零；水银压强计、天平将无法使用；摆钟停摆；弹簧测力计不能测重力等．
关键能力1　超重、失重现象
　下列关于超重与失重的说法正确的是(　　)
A．超重就是物体的重力增加了
B．失重就是物体的重力减少了
C．完全失重就是物体的重力没有了
D．不论是超重、失重，还是完全失重，物体所受的重力是不变的
[解析]　超重是物体对接触面的压力大于物体的真实重力，物体的重力并没有增加，所以A错误；失重是物体对接触面的压力小于物体的真实重力，物体的重力并没有减小，所以B错误；完全失重是物体对接触面的压力为零，此时物体的重力也不变，所以C错误；不论是超重、失重，还是完全失重，物体所受的重力是不变的，只是对接触面的压力不和重力相等了，所以D正确．
[答案]　D
关键能力2　超重、失重的判断
　(多选)游乐园中，游客乘坐能加速或减速运动的升降机，可以体会超重与失重的感觉．下列描述正确的是(　　)
A．当升降机加速上升时，游客处于失重状态
B．当升降机减速下降时，游客处于超重状态
C．当升降机减速上升时，游客处于失重状态
D．当升降机加速下降时，游客处于超重状态
[思路点拨] 解答本题时，可按以下思路进行分析：
[解析]　当升降机加速上升或减速下降时，加速度方向向上，由牛顿第二定律可得N－mg＝ma，N＝mg＋ma>mg，乘客处于超重状态，选项A错误，B正确；当升降机加速下降或减速上升时，加速度方向向下，由牛顿第二定律可得mg－N＝ma，N＝mg－ma[答案]　BC
判断物体超重与失重的方法
(1)从受力的角度判断
①超重：物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力．
②失重：物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力．
(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．
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．　
【达标练习】
1．关于超重和失重，下列说法中正确的是(　　)
A．超重时物体的加速度大于零
B．失重时物体的加速度小于零
C．完全失重时物体的加速度等于零
D．无论超重还是失重，物体的加速度肯定不为零
解析：选D.根据超重和失重的运动特征，以及加速度方向(正、负)的物理意义易知A、B、C错误，D正确．
2．(多选)
“蹦极”是一项非常刺激的体育运动．某人身系弹性绳自高空P点自由下落，图中a点是弹性绳的原长位置，c点是人所到达的最低点，b点是人静止地悬吊着时的平衡位置，不计空气阻力，则人从P点落下到最低点c的过程中(　　)
A．人在Pa段做自由落体运动，处于完全失重状态
B．在ab段绳的拉力小于人的重力，人处于超重状态
C．在bc段绳的拉力大于人的重力，人处于超重状态
D．在c点，人的速度为零，其加速度也为零
解析：选AC.在Pa段绳还没有被拉长，人做自由落体运动，所以处于完全失重状态，选项A正确；在ab段绳的拉力小于人的重力，人受到的合力向下，有向下的加速度，处于失重状态，选项B错误；在bc段绳的拉力大于人的重力，人受到的合力向上，有向上的加速度，处于超重状态，选项C正确；在c点，绳的形变量最大，绳的拉力最大，人受到的合力向上，有向上的加速度，所以选项D错误．
　超重、失重的综合分析与计算[学生用书P104]
【核心深化】
1．从牛顿第二定律的角度分析超重现象：物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时，根据牛顿第二定律有：N－mg＝ma，此时N>mg.
2．从牛顿第二定律的角度分析失重现象：物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时，根据牛顿第二定律有：mg－N＝ma，此时N3．从牛顿第二定律进一步得出，物体是处于超重还是失重状态决定于加速度的方向，而与物体的速度方向无关．处于超重状态时加速度方向向上，物体可能加速上升或减速下降；处于失重状态时，加速度方向向下，物体可能加速下降或减速上升．
　质量是60 kg的人站在升降机中的体重计上，当升降机做下列各种运动时，体重计的读数是多少？(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．
[思路点拨] 解此题注意以下两点：
(1)以人为研究对象进行受力分析，根据牛顿第二定律列方程求解．
(2)由牛顿第三定律知，人受到的支持力与人对体重计的压力大小相等，所以体重计的读数等于人受到的支持力的大小．
[解析]　以人为研究对象受力分析如图所示：
(1)匀速上升时a＝0，所以
N－mg＝0
N＝mg＝600 N
据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到
的支持力的大小即，N′＝N＝600 N.
(2)匀加速上升，a方向向上，取向上为正方向
则N－mg＝ma
N＝m(g＋a)＝60×(10＋4) N＝840 N
据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到的支持力的大小即，N′＝N＝840 N.
(3)匀减速上升和匀加速下降，a的方向都是向下的，取向下为正方向，则mg－N＝ma
N＝m(g－a)＝60×(10－3) N＝420 N
据牛顿第三定律知体重计的读数等于人受到的支持力的大小即，N′＝N＝420 N.
[答案]　(1)600 N　(2)840 N　(3)420 N
解决超重、失重现象中计算问题的基本方法
(1)明确研究对象，进行受力分析．
(2)判断加速度的方向，并建立合理的坐标轴．
(3)应用牛顿第二定律列出方程．
(4)代入数据求解，需讨论的进行讨论．　
　在电梯中，把一重物置于台秤上，台秤与力传感器相连，当电梯从静止起加速上升，然后又匀速运动一段时间，最后停止运动时，传感器的荧屏上显示出其受的压力与时间的关系图像如图所示．试由此图回答问题：(g取10 m/s2)
(1)该物体的重力是多少？电梯在超重和失重时物体的重力是否变化？
(2)算出电梯在超重和失重时的最大加速度分别是多大？
解析：(1)根据题意4～18 s物体随电梯一起匀速运动，由平衡条件及牛顿第三定律知：
台秤受的压力和物体的重力相等，即G＝30 N；
根据超重和失重的本质得：物体的重力不变．
(2)超重时：台秤对物体的支持力最大为50 N，由牛顿第二定律得a1＝＝ m/s2≈6.67 m/s2，方向向上；
失重时：台秤对物体的支持力最小为10 N，由牛顿第二定律得a2＝＝ m/s2≈6.67 m/s2，方向向下．
答案：(1)30 N　不变　(2)6.67 m/s2　6.67 m/s2