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2016-2017学年高中物理 第5章 研究力和运动的关系 5.5超重与失重课件 沪科版必修1


5.5 超重与失重

情境导入

课程目标
1.认识超重和失重现象的 本质,知道超重与失重现象中, 物体的重力并没有发生变化。 2.会利用牛顿第二定律分析超 重、失重问题。 3.知道完全失重状态的特征和 条件,知道人造卫星中的物体 处于完全失重状态。 4.了解超重和失重现象对生 活、生产的影响。

一二
超重现象
1.定义 物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)大于物体重力的现象。 2.产生条件 物体具有向上的加速度。

一二
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:当物体以大小等于 g 的加速度竖直下落时,它对悬挂物或支持 物完全为零的状态。 (2)产生条件:a=g,方向竖直向下。

一二
思考 2013 年 7 月,我国航天员王亚平在“天宫”1 号讲授了一堂
神奇的太空课,在水球演示时,王亚平往水膜上注水从而形成水球,又往水球 内注入气泡。我们在教室内可以完成这个实验吗?为什么这种情况在太空 中可以出现呢?
提示:不能。地面上的水珠由于重力作用而成“椭球形”,在太空舱完全 失重的环境中,水珠不受重力的影响而成球形,同时水珠内的气泡不受浮力, 只受四周水对它的压力作用而处于正中央。

探究一

探究二

对超重与失重的理解

●问题导引●
如图所示:一个底部有孔的空饮料瓶,先用手指按住小 孔,往瓶里注水然后放开手指,观察到什么现象?放开手指后, 让瓶子自由下落,观察到什么现象?产生这种现象的原因是 什么?
提示:注水后放开手指,水喷射而出,这是因为上层水对小孔处的水有压 力,从而使水从孔中喷出。瓶子下落过程中,水并不从小孔喷出,因为此时水、 瓶处于完全失重状态,上层水与下层水之间无压力作用。

探究一

探究二

●名师精讲●

1.对“重”的理解 (1)通常情况下,“重”指物体所受的重力,一般保持不变,用公式 G=mg 可求解。若用测量法测重力,物体所处的状态必须是平衡态(即 a=0)。 (2)测力仪器所显示的力的大小为视重 G',即物体对支持物的压力(如对 台秤或磅秤的压力)或对悬绳(或测力计)的拉力。 2.对超重和失重的理解

特征 加速度 视重(F)与 运动情况

状态

重力的关系

受力图

平衡

a=0

F=mg

静止或匀速直线运动

探究一

探究二

特 征 状态

加速 度

视重(F)与 重力的关 系

运动情况

超重

向上 F=m(g+ a)>mg

向上加速或向下减速

续表 受力图

失重

向下 F=m(ga)<mg

向下加速或向上减速

完全 失重

向下 F=0
a=g

抛体运动、自由落体运动、卫星 的运动等

探究一

探究二

警示(1)当物体具有向上的加速度时,出现超重现象,反之,出现失
重现象,与运动方向无关。 (2)出现超重或失重现象时,物体的实际重力并没有变化。

探究一

探究二

【例题 1】 (多选)关于超重与失重现象,下列说法中正确的是( ) A.体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态 B.蹦床运动员在空中上升过程中、下落过程中都处于失重状态 C.举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态 D.火箭点火后加速升空的过程中处于超重状态 点拨:解答本题可按以下思路分析: (1)分析物体的运动状态。 (2)根据物体加速度的方向,判断是超重还是失重。

探究一

探究二

解析:可通过以下表格对选项逐一分析:

选项 运动状态 加速度

A

静止

a=0

减速上升

B

方向竖直向下 和加速下落

C

静止

a=0

D 加速上升 方向竖直向上

结论 无超、失重现象
失重
无超、失重现象 超重

答案:BD

探究一

探究二

反思判断超重、失重状态的方法
物体究竟处于超重状态还是失重状态,可用三个方法判断: (1)从受力的角度判断。当物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力时, 物体处于超重状态;小于重力时处于失重状态,等于零时处于完全失重状 态。 (2)从加速度的角度判断。当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 g 时处于完全失重状 态。 (3)从运动的角度判断。当物体加速上升或减速下降时,物体处于超重 状态;当物体加速下降或减速上升时,物体处于失重状态。

探究一

探究二

超重与失重的计算

●问题导引●
如图所示,小星家住 18 楼,每天上学、放学均要乘 垂直升降电梯上下楼。下楼时,在电梯里,开始他觉得 有种“飘飘然”的感觉,背的书包也感觉变“轻”了。快 到底楼时,他觉得自己有种“脚踏实地”的感觉,背的 书包也感觉变“重”了。每次感觉都跟这相似,这是什么原因呢?
提示:下楼开始时,人和书包处于失重状态;电梯快停止时,加速度向上, 人和书包处于超重状态。

探究一

探究二

●名师精讲●
超重和失重问题实质上就是牛顿第二定律应用的延续,解题时应抓住 联系力和运动的桥梁——加速度。
其基本思路如下: (1)确定研究对象; (2)把研究对象从物体系中隔离出来,分析受力并画出受力图; (3)选取正方向,分析物体的运动情况,确定加速度方向; (4)根据牛顿第二定律和运动学公式列方程; (5)解方程,找出所需求的结果。

探究一

探究二

【例题 2】 质量是 60 kg 的人站在升降机中的体重 计上,如下图所示。重力加速度 g 取 10 N/kg,当升降机做 下列各种运动时,求体重计的示数。
(1)匀速上升。 (2)以 4 m/s2 的加速度加速上升。 (3)以 5 m/s2 的加速度加速下降。 (4)以重力加速度 g 加速下降。 点拨: 以人为研究对象→受力分析→a 的方向→根据牛顿第二定律列方程

探究一

探究二

解析:(1)匀速上升时,由平衡条件得: N1=mg=600 N, 由牛顿第三定律得人对体重计的压力为 600 N,即体重计的示数为 600 N。 (2)加速上升时,由牛顿第二定律得: N2-mg=ma1, N2=mg+ma1=840 N, 由牛顿第三定律得人对体重计的压力为 840 N,即体重计的示数为 840 N。

探究一

探究二

(3)加速下降时,由牛顿第二定律得: mg-N3=ma3, N3=mg-ma3=300 N, 由牛顿第三定律得人对体重计的压力为 300 N,即体重计的示数为 300 N。 (4)当以加速度 a=g 加速下降时,人处于完全失重状态,体重计的示数为 零。 答案:(1)600 N (2)840 N (3)300 N (4)0

探究一

探究二

反思(1)由运动情况可以判断物体运动的加速度方向,再由加速
度方向可以判断物体处于超重状态还是失重状态,进而可判断物体的视重 与实重的大小关系;
(2)由物体视重和实重的大小关系可以判断物体处于超重状态还是失 重状态,由超重或失重状态可判断物体的加速度方向,由加速度方向结合运 动情况可以具体地判断物体的运动情况。

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1.下列关于超重和失重的说法中,正确的是( ) A.物体处于超重状态时,其重力增加了 B.物体处于完全失重状态时,其重力为零 C.物体处于超重或失重状态时,其质量不变,但重力发生了改变 D.物体处于超重或失重状态时,其质量及受到的重力都没有变化 解析:物体处于超重或者失重状态时,质量、重力大小均没有发生变化,只是 对支持物的压力或对悬挂物的拉力发生了变化。 答案:D

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2.某同学从 6 楼乘电梯到 1 楼,电梯刚刚启动时( ) A.他受的重力增大 B.他受的重力减小 C.他对电梯地板的压力增大 D.他对电梯地板的压力减小 解析:由于该同学从上向下运动,所以刚刚启动时加速度向下,属于失重现象, 即对地板的压力减小,C 错,D 对。该同学在运动过程中重力是不变的,A、B 均错。 答案:D

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3.(多选)质量为 m 的人站在升降机里,如果升降机运动时加速度的绝对值为 a,升降机底板对人的支持力 F=m(g+a),则可能的情况是( ) A.升降机以加速度 a 向下加速运动 B.升降机以加速度 a 向上加速运动 C.在向上运动中,以加速度 a 制动 D.在向下运动中,以加速度 a 制动 解析:升降机底板对人的支持力 F=m(g+a)大于人所受的重力 mg,故升降机 处于超重状态,具有向上的加速度,选项 B、D 正确。 答案:BD

12345 4.某中学实验小组的同学在电梯的天花板上固定一只测力计,使其测量挂 钩(跟弹簧相连的挂钩)向下,并在钩上悬挂一个重为 10 N 的钩码。测力计 弹力随时间变化的规律(如图所示的 F t 图像)可通过一传感器直接得出。 根据 F t 图像,下列分析正确的是( )
A.从时刻 t1 到 t2,钩码处于超重状态 B.从时刻 t3 到 t4,钩码处于失重状态 C.电梯可能开始停在 15 楼,先加速向下,接着匀速向下,再减速向下,最后停 在1楼 D.电梯可能开始停在 1 楼,先加速向上,接着匀速向上,再减速向上,最后停在 15 楼

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解析:0~t1 阶段,物体处于平衡(静止或匀速)状态;t1~t2 阶段,物体处于失重(加 速下降或减速上升)状态;t2~t3 阶段,物体处于平衡状态;t3~t4 阶段,物体处于 超重(加速上升或减速下降)状态,选项 C 正确。 答案:C

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5.质量为 60 kg 的人站在升降机中的体重计上,当升降机做下列运动时,体重 计的读数是多少?(g 取 10 N/kg) (1)升降机匀速上升,其速度 v=2 m/s。 (2)升降机以 2 m/s2 的加速度匀加速上升。 (3)升降机以 2 m/s2 的加速度匀加速下降。 (4)升降机以 2 m/s2 的加速度匀减速下降。

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解析:以升降机中的人为研究对象进行受力分析,如图所示:
(1)当升降机匀速上升时:N1-mg=0,所以 N1=mg=600 N,根据牛顿第三 定律,人对体重计的压力即读数为 600 N。
(2)当升降机以 2 m/s2 的加速度匀加速上升时,a 的方向竖直向上,由牛 顿第二定律得:N2-mg=ma,所以 N2=m(g+a)=60×(10+2) N=720 N,根据牛顿 第三定律,人对体重计的压力即读数为 720 N(超重)。



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