物理：第4节《超重与失重》课件（鲁科版必修1）

欢迎进入物理课堂 一 对超重现象的理解 1 从拉力的角度看超重超重时物体受到的竖直悬绳 或测力计 的拉力或水平支撑面 或台秤 的支持力大于重力 好像重力变大了 正是由于这样的原因把这种现象定义为 超重 2 从加速度的角度看超重根据牛顿第二定律 处于超重状态的物体的加速度方向向上 如图 这是物体超重的条件 也是判断物体超重与否的依据 3 从速度的角度看超重只要加速度向上物体就处于超重状态 其速度可以向上也可以向下 常见的超重状态有两种 加速向上或减速向下运动 4 从重力的角度看超重物体的重力大小由物体的质量和当地的重力加速度决定 超重或失重时重力不会发生变化 变化的是与重力有关的现象 1 当物体的加速度具有竖直向上的分量时 出现超重现象 与运动方向无关 2 出现超重现象时 物体的重力并没有变化 典例1 2011 广州高一检测 如图所示 轻质弹簧的上端固定在电梯的天花板上 弹簧下端悬挂一个小铁球 在电梯运行时 乘客发现弹簧的伸长量比电梯静止时的伸长量大 这一现象表明A 电梯一定是在上升B 电梯一定是在下降C 电梯的加速度方向一定是向下D 乘客一定处在超重状态 解题指导 弹簧的伸长量比电梯静止时的伸长量大 说明弹簧对小铁球的拉力大于小铁球的重力 处于超重状态 标准解答 选D 电梯静止时 弹簧的拉力和重力相等 现在 弹簧的伸长量变大 则弹簧的拉力增大 小铁球受到的合力方向向上 加速度方向向上 小铁球处于超重状态 但是电梯的运动方向可能向上也可能向下 故选D 规律方法 超重和失重现象问题的求解技巧求解超重和失重现象问题应当明确以下三点 1 物体处于超重状态还是失重状态取决于物体加速度的方向 与物体速度的大小和方向没有关系 2 加速度与超重 失重状态的对应关系是 a 0时 既不超重也不失重 F mg a的方向竖直向上时 超重 F mg a的方向竖直向下时 失重 F mg a g且方向竖直向下时 完全失重 F 0 3 物体处于超重或失重时的运动情况 超重时 物体向上加速或向下减速 失重时 物体向下加速或向上减速 互动探究 上题中把弹簧换成细绳 当电梯在竖直方向运动时 发现绳子突然断了 由此判断此时电梯的情况是 A 电梯一定是加速上升B 电梯可能是减速上升C 电梯可能匀速向上运动D 电梯的加速度方向一定向上 解析 选D 由于绳子突然断了 说明绳子拉力一定变大了 由此可知 电梯一定有一方向向上的加速度 但电梯并不一定向上运动 故A错误 D正确 电梯减速上升加速度向下 B错误 电梯匀速上升 绳子不可能断 C错误 变式备选 物体发生超重时 A 物体的速度方向一定向上B 物体的加速度方向一定向上C 物体的重力增加了D 物体的重力不变 解析 选B D 所谓超重就是对悬挂物的拉力 或对支持物的压力 变大了 根据牛顿第二定律 物体一定有了向上的加速度 它的运动可能有两种情况 要么向上加速 要么向下减速 不管发生超重还是失重 物体的实际重力不变 只是视重变大或变小了 超重和失重与物体的速度方向及大小并无直接联系 它只取决于加速度的方向 加速度方向向上 超重 加速度方向向下 失重 故A C错 B D正确 二 对失重现象的理解 1 从拉力的角度看失重时物体受到的竖直悬绳 或测力计 的拉力或水平支撑面 或台秤 的支持力小于重力 好像重力变小了 正是由于这样的原因把这种现象定义为 失重 2 从加速度的角度看根据牛顿第二定律 处于失重状态的物体的加速度方向向下 a g 如图 这是物体失重的条件 也是判断物体失重与否的依据 3 从速度的角度看只要加速度向下物体就处于失重状态 其速度可以向上也可以向下 常见的失重状态有两种 加速向下或减速向上运动 4 物体处于完全失重状态 a g 时 重力全部产生加速度 不再产生压力 如图 平常一切由重力产生的物理现象都会完全消失 如单摆停摆 天平失效 浸在水中的物体不再受浮力 液体柱不再产生压强等 1 当物体的加速度具有竖直向下的分量时 出现失重现象 与运动的方向无关 2 出现失重现象时 物体的重力并没有变化 典例2 2011 龙岩高一检测 一质量为m 40kg的小孩在电梯内的体重计上 电梯从t 0时刻由静止开始上升 在0到6s内体重计示数F的变化如图所示 试问 在这段时间内电梯上升的高度是多少 取重力加速度g 10m s2 解题指导 根据F t图象分别求出0 2s 2 5s 5 6s三段时间内的加速度 进而确定其运动过程 求解位移 标准解答 由图可知 在0 2s内 体重计的示数大于mg 故电梯应做向上的加速运动 设在这段时间内体重计作用于小孩的力为N1 电梯及小孩的加速度为a1 根据牛顿第二定律 得N1 mg ma1在这段时间内电梯上升的高度h1 a1t12在2 5s内 体重计的示数等于mg 故电梯应做匀速上升运动 速度为t1时刻的电梯的速度 即v1 a1t1 在这段时间内电梯上升的高度h2 v1 t2 t1 在5 6s内 体重计的示数小于mg 故电梯应做减速上升运动 设这段时间内体重计作用于小孩的力为N2 电梯及小孩的加速度为a2 由牛顿第二定律 得 mg N2 ma2在这段时间内电梯上升的高度h3 v1 t3 t2 a2 t3 t2 2电梯上升的总高度h h1 h2 h3代入数据解得h 9m 答案 9m 规律方法 电梯内的超 失重问题的处理方法 1 系统处于超重 失重状态时 系统内物体所受重力没有任何变化 是物体对竖直悬绳的拉力或对水平支撑面的压力发生了变化 2 判断物体处于超重还是失重的状态时 只看加速度 不看速度 加速度向上 物体超重 加速度向下 a g 物体失重 3 如果电梯是一个不透光的全封闭环境 电梯内的人只能根据台秤的读数判断电梯运行的加速度方向 不能判断速度方向 4 电梯内人的举力是不变的 他能举起的物体质量的最大值不仅和举力有关 还和系统的加速度有关 互动探究 上题中小孩在5 6s最多能举起m1 75kg的物体 则小孩在地面上最多可举起多大质量的物体 g取10m s2 解析 小孩在地面上的最大 举力 为F 那么他在以不同加速度运动的电梯中最大的 举力 仍然是F 以物体为研究对象进行受力分析 物体的受力示意图如图所示 物体的加速度与电梯相同 电梯在5 6s的加速度a1 2m s2方向向下 此时对物体有 m1g F m1a1 F m1 g a1 75 10 2 N 600N 设人在地面上最多可举起质量为m0的物体 则F m0g m0 F g 60kg 答案 60kg 典例 如图所示 斜面体M始终处于静止状态 当物体m沿斜面下滑时 下述错误的是A 匀速下滑时 M对地面压力等于 M m gB 加速下滑时 M对地面压力小于 M m gC 匀减速下滑时 M对地面压力大于 M m gD M对地面压力始终等于 M m g 解题指导 研究系统整体 分析整体在竖直方向上的加速度方向 确定超失重情况 标准解答 选D 物体加速下滑时对整个系统有竖直向下的加速度分量而出现失重现象 故B正确 物体匀减速下滑时系统存在竖直向上的加速度分量 处于超重状态 故C正确 匀速下滑时系统处于平衡状态 故A正确 超重与失重的思维定势导致错误直升机悬停在空中向地面投放装有救灾物资的箱子 如图所示 设投放初速度为零 箱子所受的空气阻力与箱子下落速度的平方成正比 且运动过程中箱子始终保持图示姿态 在箱子下落过程中 下列说法正确的是 A 箱内物体对箱子底部始终没有压力B 箱子刚从飞机上投下时 箱内物体受到的支持力最大C 箱子接近地面时 箱内物体受到的支持力比刚投下时大D 若下落距离足够长 箱内物体有可能不受底部支持力而 飘起来 正确解答 刚投下时箱子不受阻力 整体加速度为g 对于物体有 mg N mg 即N 0 因此此时物体对箱底压力为零 故B错 随着箱子的下落 因受空气阻力作用 对整体应用牛顿第二定律得 M m g kv2 M m a 随着下落速度的增大 加速度越来越小 对物体应用牛顿第二定律得 mg N ma 随着加速度的减小 支持力越来越大 由牛顿第三定律可得压力也越来越大 故A错 C对 若下落距离足够长 最后重力与阻力平衡 加速度a为零 箱子将做匀速直线运动 此时对物体有 mg N 因此物体不可能 飘起来 故D错 正确答案 C 易错分析 本题易错选A项和D项 出现错误的原因是认为只要物体在空中释放而下落 一定是处于失重状态 其原因是在分析物体的受力情况时 只考虑到重力 认为物体做自由落体运动 没有考虑空气阻力的作用 1 某实验小组的同学在电梯的天花板上固定一根弹簧测力计 使其测量挂钩向下 并在钩上悬挂一个重为10N的钩码 弹簧测力计弹力随时间变化的规律可通过一传感器直接得出 如图所示 则下列分析错误的是 A 从时刻t1到t2 钩码处于失重状态B 从时刻t3到t4 钩码处于超重状态C 电梯可能开始在15楼 静止一段时间后 先加速向下 接着匀速向下 再减速向下 最后停在1楼D 电梯可能开始在1楼 静止一段时间后先加速向上 接着匀速向上 再减速向上 最后停在15楼 解析 选D 由图象可知 在t1 t2时间内弹力FG 处于超重 可能是在减速下降或加速向上 故A B C正确 选D 2 升降机地板上放一个台秤 秤盘上放一质量为m的物体 当秤的读数为1 2mg时 升降机可能做的运动是 A 加速下降B 匀速上升C 减速上升D 减速下降 解析 选D 秤的读数增大 是超重 说明升降机的加速度方向向上 做向上的加速运动或向下的减速运动 D正确 3 2011 徐州高一检测 2008年9月25日 神舟七号 载人飞船成功发射 设近地加速时 飞船以5g的加速度匀加速上升 g为重力加速度 则质量为m的宇航员对飞船底部的压力为 A 6mgB 5mgC 4mgD mg 解析 选A 以人为研究对象 进行受力分析 由牛顿第二定律可知 F mg ma 则F m g a 6mg 再由牛顿第三定律可知 人对飞船底部的压力为6mg 4 一弹簧测力计最多能挂5 4kg重的物体 在实际以1m s2的加速度下降的电梯里 它最多能挂上多重的物体 如果在电梯内弹簧测力计最多能挂上4 0kg的物体 此刻电梯在做什么运动 加速度的大小为多少 取g 10m s2 解析 弹簧测力计的最大拉力F m0g 5 4 10N 54N 当a1 1m s2 方向向下时 m1g F m1a 则m1 6kg 若最多能挂4 0kg的物体 说明物体处于超重状态 加速度方向向上 电梯向上加速运动或向下减速运动 由F m2g m2a2 得a2 m s2 3 5m s2 答案 6kg向上加速运动或向下减速运动3 5m s2 一 选择题 本题包括6小题 每小题5分 共30分 每小题至少一个选项正确 1 2011 皖南高一检测 下列关于超重 失重现象的描述中 正确的是 A 人随升降机以加速度a加速下降时 人处于超重状态B 列车在水平直轨道上加速行驶 车上的人处于超重状态C 在国际空间站内的宇航员处于完全失重状态 因为这时候宇航员不受重力了D 电梯正在减速下降 人在电梯中处于超重状态 解析 选D A项中人加速度向下 处于失重状态 A错误 B项中列车竖直方向加速度为零 处于等重状态 B错误 C项中宇航员处于完全失重状态 但仍受重力 C错误 D项中人的加速度向上 处于超重状态 D正确 2 下面关于超重与失重的判断正确的是 A 物体做变速运动时 必处于超重或失重状态B 物体向下运动 必处于失重状态C 做竖直上抛运动的物体 处于超重状态D 物体斜向上做匀减速运动 处于失重状态 解析 选D 判断物体是否处于超重或失重状态 就是看物体有没有竖直方向的加速度 若物体加速度向下 则处于失重状态 若物体加速度向上 则处于超重状态 A B两项均未指明加速度方向 无法判定是否超重或失重 C D两项物体加速度均向下 故处于失重状态 C项中a g 故完全失重 3 2011 苏州高一检测 一种巨型娱乐器械可以让人体验超重和失重的感觉 一个可乘十多个人的环形座舱套在竖直柱子上 由升降机构送上几十米的高处 然后让座舱自由下落 下落一定高度后 制动系统启动 座舱做减速运动 到地面时刚好停下 下列判断正确的是 A 座舱在自由下落的过程中人处于超重状态B 座舱在自由下落的过程中人处于失重状态C 座舱在减速运动的过程中人处于失重状态D 座舱在减速运动的过程中人处于超重状态 解析 选B D 座舱在自由下落时 加速度为g 方向向下 人处于失重状态 A错误 B正确 座舱在减速过程中 加速度方向向上 人处于超重状态 C错误 D正确 4 2010年8月巴基斯坦大约80万人受洪水围困 由于道路不通 救援人员只能借助直升机展开援救 关于被营救人员在直升机上的状态 下列描述正确的是 A 当直升机加速上升时 被营救人员处在失重状态B 当直升机减速下降时 被营救人员处在超重状态C 当直升机上升时 被营救人员处在超重状态D 当直升机下降时 被营救人员处在失重状态 解析 选B 加速度向上 为超重状态 加速度向下 为失重状态 超重 失重与运动的方向无关 故B正确 A C D错误 5 日本机器人展在横滨对公众开放 来自日本各地的40多家科研机构和生产厂商展示了机器人领域的科研成果 如图所示是日本机器人展媒体预展上一个小型机器人在表演垂直攀登 关于机器人在上升过程中细绳对手的拉力以下说法正确的是 A 当机器人高速向上攀爬时细绳对手的拉力比低速攀爬时大B 当机器人减速上升时 机器人处于超重状态C 当机器人减速下降时 机器人处于失重状态D 机器人加速下降过程中 a g 细绳对机器人的拉力小于其重力 解析 选D 机器人对细绳的拉力与速度大小无关 只与是否有竖直方向上的加速度有关 则A错 机器人减速上升时 其加速度方向向下 处于失重状态 则B错 机器人减速下降时 其加速度方向向上 处于超重状态 则C错 机器人加速下降过程中加速度方向向下 处于失重状态 拉力小于重力 则D对 6 下列四个实验中 能在绕地球飞行的太空实验舱中完成的是 A 用天平测量物体的质量B 用弹簧测力计测物体的重力C 用温度计测舱内的温度D 用水银气压计测舱内气体的压强 解析 选C 绕地球飞行的太空试验舱处于完全失重状态 处于其中的物体也处于完全失重状态 物体对水平支持物没有压力 对悬挂物没有拉力 用天平测量物体质量时 利用的是杠杆原理 因此在太空实验舱内不能完成 同理 水银气压计也不能测出舱内气体压强 物体处于失重状态时 对悬挂物没有拉力 因此弹簧测力计不能测出物体的重力 温度计是利用了热胀冷缩的性质 因此可以测出舱内温度 故只有选项C正确 方法技巧 完全失重下能使用的仪器在完全失重的状态下 由重力产生的一切物理现象都会消失 如单摆停摆 天平失效 浸没于液体中的物体不再受浮力 水银气压计失效等 但测力的仪器中弹簧测力计如不测重力而测拉力是可以使用的 因为弹簧测力计是根据胡克定律F kx原理制成的 而不是根据重力制成的 二 非选择题 本题包括2小题 共20分 要有必要的文字叙述 7 8分 挑战能力 一般在宾馆的低层客房都固定有绳索 一旦出现意外情况 如火灾等 客人可沿绳索滑下逃生 若某客人体重100kg 由于意外绳索能承受的最大拉力仅为900N 客人应至少以多大的加速度下滑 才不致使该绳索断裂 若某次加速下滑5m刚好落地 其着地速度多大 g 10N kg 解析 以人为研究对象 当绳索的拉力达到最大时有mg F ma 得a m s2 1m s2落地的速度v m s m s答案 1m s2m s 8 12分 2011 通州高一检测 据报载 我国航天第一人杨利伟的质量为63kg 装备质量不计 求 1 假设飞船以8 6m s2的加速度竖直上升 这时他对坐椅的压力多大 g 9 8m s2 2 杨利伟训练时承受的压力可达到8个G 这表示什么意思 3 当飞船返回地面 减速下降时 请你判断一下杨利伟应该有什么样的感觉 解析 1 以杨利伟为研究对象 受力分析如图所示 由牛顿第二定律得 N mg ma N mg ma 1159 2N 由牛顿第三定律可知 他对坐椅的压力与坐椅对他的支持力大小相等 方向相反 即N N 1159 2N 2 杨利伟训练时承受压力可达8个G 即N 8G 8mg mg 处于超重状态 此时加速度 N mg ma 即 8mg mg ma a 7g 因此 杨利伟可承受以7g的加速度加速上升或减速下降时所产生的压力 3 当飞船返回地面 减速下降时 加速度方向向上 处于超重状态 飞船对脚的支持力增大 由牛顿第三定律知 脚对飞船压力增大 故双脚有明显压迫感 由于处于超重状态 头部血压降低 因此可能出现头晕等现象 答案 1 1159 2N 2 3 见解析 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全