1、6超重和失重 第四章 运动和力的关系 核心素养明目标 核心素养学习目标 物理观念(1)知道测量重力的两种方法。(2)知道超重、失重和完全失重现象及其产生条件。科学思维(1)会应用牛顿第二定律分析超重和失重现象发生的动力学原因，理解超重和失重现象的本质。(2)了解超重和失重现象在各个领域的应用，解释生活中的超重和失重现象。核心素养学习目标 科学探究(1)通过体验或者实验，认识超重和失重现象。(2)通过在电梯里观察体重计示数或其他方式发现超重和失重现象产生的条件。科学态度与责任(1)培养学生从实际情境中捕捉信息、发现问题并提出问题的能力。(2)培养学生用科学知识解释生活现象的能力，激发学生的学习热
2、情和兴趣。知识点一 知识点二 自主预习探新知 NO.1知识点一 重力的测量 方法一：先测量物体做自由落体运动的，再用测量物体的质量，利用牛顿第二定律得：。方法二：利用力的对重力进行测量。将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于状态，这时测力计的示数反映了物体所受的大小。加速度天平平衡条件Gmg静止重力1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)物体的重力大小 Gmg 是根据牛顿第二定律确定的。()(2)弹簧测力计测量重力时，其示数一定等于物体的重力大小。()我们测量体重时，站在台秤上应保持什么状态？测量体重的原理是什么？提示：保持静止状态 二力平衡 知识点二 超重和失重 1视重：体重计的称
3、为视重，反映了人对体重计的。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(选填“竖直向上”或“竖直向下”)的加速度。示数压力小于竖直向下3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(选填“竖直向上”或“竖直向下”)的加速度。4完全失重(1)定义：物体对支持物(或悬挂物)没有作用力的状态。(2)产生条件：ag，方向。大于竖直向上完全竖直向下(1)物体处于超重或失重状态时，物体的重力始终存在，大小也没有变化，只是“视重”发生了改变。(2)超重或失重现象与物体速度的大小和方向无关，只决定于
4、加速度的方向。2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)物体向上运动时一定处于超重状态。()(2)物体处于失重状态时重力减小了。()(3)做竖直上抛运动的物体，只受重力作用，加速度大小和方向都不变。()如图，跳高运动员起跳后向上运动，越过横杆后开始向下运动，则运动员越过横杆前、后在空中分别处于什么状态？提示：失重 失重合作探究提素养 NO.2考点1 考点2 考点 1 对超重、失重的理解 如图所示，某人乘坐电梯正在向上运动。(1)电梯启动瞬间加速度沿什么方向？人受到的支持力比其重力大还是小？电梯匀速向上运动时，人受到的支持力比其重力大还是小？(2)电梯将要到达目的地减速运动时加速度沿什么方
5、向？人受到的支持力比其重力大还是小？提示：(1)电梯启动瞬间加速度方向向上，人受到的合力方向向上，所以支持力大于重力；电梯匀速向上运动时，人受到的合力为零，所以支持力等于重力。(2)减速运动时，因速度方向向上，故加速度方向向下，即人受到的合力方向向下，所以支持力小于重力。1重力与视重(1)重力：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超重和失重的理解与判断(1)当视重与物体的重力不同时，即发生了超重或失重现象。(2)判断物体超重与失重的方法 从受力
6、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。从加速度的角度判断：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。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。名师点睛：在完全失重状态下，平常由重力产生的一切物理现象都会消失，比如单摆停止摆动、液体对器壁没有压强、浸在液体中的物体不受浮力等。工作原理与重力有关的仪器也不能再使用，如天平、液体气压计等。【典例 1】(多选)(2020西安六校检测)如图所示是某同学站在力传感器上做下蹲起立的动作时记录的压力 F 随时间 t 变化的图线，由图线可知该同学()A做了一次下蹲起
7、立的动作 B做了两次下蹲起立的动作，且下蹲后约 4 s 起立 C下蹲过程处于失重状态，起立过程处于超重状态 D下蹲过程先处于失重状态后处于超重状态 AD 人下蹲动作包含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，即先失重再超重；同理，起立动作也包含两个过程，先加速向上超重，后减速向上失重。对应图像可知，该同学做了一次下蹲起立的动作，故 A、D 两项正确，B、C 两项错误。跟进训练 1(多选)(2020河北石家庄期末)如图所示，电梯的顶部挂一个弹簧测力计，测力计下端挂了一个重物，电梯匀速运动时，弹簧测力计的示数为 10 N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧测力计的示数变
8、为 8 N，关于此时电梯的运动，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 12 m/s2 B电梯可能向下加速运动，加速度大小为 2 m/s2 C电梯可能向上减速运动，加速度大小为 2 m/s2 D电梯可能向下减速运动，加速度大小为 12 m/s2 BC 电梯匀速运动时，弹簧测力计的示数为 10 N，可知重物的重力等于 10 N，质量为 1 kg，在某时刻电梯中的人观察到弹簧测力计的示数变为 8 N，对重物，根据牛顿第二定律有 mgFma，解得 a2 m/s2，可知电梯的加速度大小为 2 m/s2，方向竖直向下，因此电梯可能向下加速运动，也可能向上减速运
9、动，选项 B、C 正确，A、D 错误。考点 2 有关超重、失重的计算 1超重与失重问题，实质上是牛顿第二定律应用的延续，解题时仍应抓住联系力和运动的桥梁加速度。2基本思路(1)确定研究对象；(2)把研究对象从运动体系中隔离出来，进行受力分析并画出受力图；(3)选取正方向，分析物体的运动情况，明确加速度的方向；(4)根据牛顿运动定律和运动学公式列方程；(5)解方程，找出所需的结果。3注意使用牛顿第三定律，因为压力和支持力并不是一回事，同时注意物体具有向上(或向下)的加速度与物体向上运动还是向下运动无关。【典例 2】如图为学校操场上一质量不计的竖直滑杆，滑杆上端通过拉力传感器固定在水平面下，下端悬
10、空。现有一质量为 50 kg的学生(可视为质点)从上端由静止开始滑下，3 s 末滑到杆底时速度恰好为零。以学生开始下滑时刻为计时起点，传感器显示的拉力随时间变化情况如图所示，g 取 10 m/s2，求：(1)01 s 内该学生的加速度的大小和方向；(2)13 s 内拉力传感器示数；(3)滑杆长度。解析(1)由 F-t 图像知，01 s 内，学生失重，由牛顿第二定律，得 mgF1ma1 得 a1mgF1m50030050m/s24 m/s2，方向向下。(2)学生下滑的最大速度 v1a1t14 m/s 在 13 s 内，a2t2a1t1，得 a22 m/s2，方向向上 由牛顿第二定律知 F2mgm
11、a2，得 F2600 N，由牛顿第三定律知，拉力传感器示数为 600 N。(3)03 s 内的位移等于滑杆长度 Lv12(t1t2)6 m。答案(1)4 m/s2 方向向下(2)600 N(3)6 m 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，然后选加速度方向为正方向，分析物体的受力情况，利用牛顿第二定律进行求解。求解此类问题的关键是确定物体加速度的大小和方向。跟进训练 2一质量为 60 kg 的人站在观光电梯底板上，如图所示的 v-t 图像是计算机显示的观光电梯在某一段时间内速度变化的情况(竖直向上为正方向)。根据图像提供的信息，可以判断下列说法中正
12、确的是(g 取 10 m/s2)()A在 510 s 内，该人对电梯底板的压力等于 500 N B在 05 s 内，观光电梯在加速上升，该人所受的支持力为624 N，处于超重状态 C在 1020 s 内，该人所受的支持力为 490 N，处于失重状态 D在 2025 s 内，该人所受的支持力为 490 N，处于超重状态 B 在 510 s 内，由图像知电梯匀速运动，该人对电梯底板的压力等于他所受的重力为 600 N，A 错；在 05 s 内，由图像知，此时加速度为 avt25m/s20.4 m/s2，据牛顿第二定律得 Fmgma，解得 F624 N。电梯的加速度方向向上，人处于超重状态，B 对；
13、在 1020 s 内，该人匀减速上升，加速度方向向下，该人处于失重状态，由图像知，此时加速度大小为 0.2 m/s2，据牛顿第二定律得 mgFma，解得 F588 N，C 错；在 2025 s 内，观光电梯在加速下降，电梯的加速度方向向下，此时人处于失重状态，D 错。当堂达标夯基础 NO.31 2 3 4 5 1某人乘坐电梯上升，电梯运行的 v-t 图像如图所示，则人处于失重状态的阶段是()AOP 段 BPM 段 CMN 段DNQ 段 1 2 3 4 5 D 由图可知，在 OP 段电梯静止，人不是处于失重状态，故 A错误；在 PM 段内，电梯匀加速上升，加速度方向向上，人处于超重状态，故 B
14、错误；在 MN 段内，电梯匀速上升，加速度为 0，人不是处于失重状态，故 C 错误；在 NQ 段内，电梯匀减速上升，加速度方向向下，人处于失重状态，故 D 正确。1 2 3 4 5 2如图所示，某日小明去“爱琴海”商场买衣服，站在自动扶梯上随扶梯斜向上做匀速运动，关于小明受到的力，以下说法正确的是()A摩擦力为零 B摩擦力方向水平向右 C支持力小于重力，属于失重现象 D支持力大于重力，属于超重现象 1 2 3 4 5 A 因人处于平衡状态，则人受重力，支持力，不受到摩擦力，A 正确，B 错误；因处于平衡状态，则人的加速度为 0，故人不失重也不超重，C、D 错误。1 2 3 4 5 3如图所示，
15、A、B 两物体叠放在一起，以相同的初速度上抛(不计空气阻力)。下列说法正确的是()A在上升和下降过程中 A 对 B 的压力一定为零 B上升过程中 A 对 B 的压力大于 A 物体受到的重力 C下降过程中 A 对 B 的压力大于 A 物体受到的重力 D在上升和下降过程中 A 对 B 的压力等于 A 物体受到的重力 1 2 3 4 5 A A、B 整体只受重力作用，做竖直上抛运动，处于完全失重状态，不论上升过程还是下降过程，A 对 B 均无压力，选项 A 正确。1 2 3 4 5 4中国的嫦娥工程探月计划分“绕、落、回”三步，然后实施载人登月。假若质量为 60 kg 的航天员登上了月球，已知月球表
16、面 g1.6 N/kg，而地球的表面 g9.8 N/kg，则该航天员在月球上的质量为多少？所受重力多大？在地球上所受重力多大？1 2 3 4 5 解析 由于物体的质量与所处的位置无关，所以航天员在月球上的质量为 m60 kg。由重力的计算公式 Gmg 得：在月球上重力 Gmg601.6 N96 N 在地球上重力 Gmg609.8 N588 N。答案 60 kg 96 N 588 N 1 2 3 4 5 5情境：随着航空技术的发展，飞机的性能越来越好，起飞的跑道要求也是越来越短，有的还可以垂直起降。为了研究在失重情况下的实验，飞行员将飞机开到高空后，让其自由下落，模拟一种无“重力”(完全失重状态
17、)的环境，以供研究人员进行科学实验。每次下降过程可以获得持续 30 秒之久的“零重力”状态，以便研究人员进行不受重力影响的实验，而研究人员站在飞机的水平底板上所能承受的最大支持力为重力的 2.5 倍。为安全起见，实验时飞机高度不得低于 800 m。问题：飞机的飞行高度至少为多少？1 2 3 4 5 解析 前 30 秒飞机做自由落体运动，解得下降高度 h112gt214 500 m 此时 vgt1300 m/s 接着要做匀减速运动，而研究人员站在飞机的水平底板上所能承受的最大支持力为重力的 2.5 倍 根据牛顿第二定律，有：Nmgma 1 2 3 4 5 所以最大加速度 a1.5g15 m/s2
18、 又下降高度：h2v22a 3002215 m3 000 m 为安全起见，实验时飞机高度不得低于 800 米，得总高度为 H3 000 m4 500 m800 m8 300 m。答案 8 300 m 回归本节知识，自我完成以下问题：1我们是如何测量物体的重力的？依据原理是什么？提示：(1)利用弹簧测力计测重力，依据平衡条件 Fmg。(2)根据 Gmg，先测物体自由落体运动的加速度 g，再用天平测物体的质量。2我们常用平衡条件测量重力，测量时要使物体保持静止状态，当物体处于加速或减速状态时，测量值还等于物体的真实重力吗？提示：不等。3超重、失重现象的实质是什么？提示：产生超重(失重)现象时，物体
19、的重力并没有变，只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力比自身的重力大(或小)。课外阅读拓视野 NO.4人体生理的微重效应 人体在漫长的进化过程中，已经适应了周围的物理环境，例如地球表面的温度、电磁场、重力场等。地球表面的重力场强度大约在 9.8 m/s2，作用于所有物体上，使它们受到指向地心的作用力。人体中的每一器官、组织，细胞以及生物分子都是在这样的重力场中得以演化并赖以生存的。一旦失去了正常的重力场，生物体的器官和组织就将失去平衡，导致一系列的生理变化，甚至危及生命。超重和失重就是两种偏离正常重力场的典型状态。所谓微重力环境就是重力强度大大减少，十分微弱，其大小大约只有地球表面重力场强度的百万
20、分之一。宇航员乘坐宇宙飞船在太空中飞行就是在这样的微重环境下生活和工作的。在太空中，宇航员可以毫不费力地漂浮在飞船中，他们用自己的内力去建立运动。在微重力的空间里，方向性已经无意义了，因为只有在地球上由于重力才有“上”“下”的方向概念。在地面上的人们是靠内耳的敏感器官传递信息给大脑，以保持身体的平衡。在太空的微重状态下，与重力有关的振动发生了变化，把神经系统搞乱了，结果内耳的传感系统向大脑传递了模糊不清的信息，身体难以平衡。这种感觉在地球上也能体会到。例如，在海上旅行时，船体在波涛中起伏摇晃，不适应者感到头昏目眩。这就是身体失去平衡产生的感觉，有时称作“运动病”。为了使宇航员适应微重状态，可让他们在实验室内做训练。宇航员们坐在旋转的椅子上或者旋转的机舱内，以不同的速度旋转，宇航员们就可感受到不同的重力条件，以体验他们将要去的太空和星球的重力环境。失重环境下，太空中航天员想要知道自己是胖了还是瘦了，该怎么办呢？提示：设计一个弹簧产生恒定的力，和一个加速度测量仪应用牛顿第二定律 Fma，就可以算出身体的质量了。点击右图进入 课 后 素 养 落 实 谢谢观看 THANK YOU!
