2019-2020年高一物理 第三章 牛顿运动定律 七、超重和失重(第一课时) 人教大纲版第一册.doc

2019-2020年高一物理 第三章 牛顿运动定律 七、超重和失重(第一课时) 人教大纲版第一册从容说课自从人造地球卫星和宇宙飞船发射成功以来，人们常谈到超重和失重，本节课就是要帮助学生正确理解超重和失重现象，并且运用超重和失重现象，并且运用超重和失重现象来解决一些实际问题.本节课的教学目标定位如下：1.知道什么是超重和失重.2知道产生超重和失重的条件 3了解生活实际中的超重和失重现象 4了解超重和失重在现代科学技术研究中的重要应用 本节的教学重点是：超重和失重的实质 本节的教学难点是：利用牛顿第二定律求解有关超重和失重问题 本节课采用实验法、类比法、讲练法。使学生对超重和失重有一个感性的认识；同时节后的“做一做”观察失重现象，实验材料易得，容易进行，又会引起学生兴趣，教学时可以在课堂上演示，也可指导学生在课外进行，以帮助学生理解失重现象 另外“失重和宇宙开发”这个阅读材料可以开阔学生的眼界和思路，应组织学生阅读，还可倡导学生查阅有关资料以培养学生的探究学习能力，培养他们的想象力和创新力 本节课的教学程序安排如下：学生参与体会，观察现象，导入新课 结合牛顿第二定律，分析探讨什么是超重和失重及其产生条件学生探究得到完全失重及其产生条件 课堂讨论，拓展本节知识.教学目标一、知识目标1.了解超重和失重现象.2.运用牛顿第二定律研究超重和失重的原因.二、能力目标1.培养学生的观察能力和分析推理能力.2.培养学生运用牛顿第二定律分析和解决问题的能力.三、德育目标渗透“学以致用”的思想，激发学生的学习热情.教学重点超重和失重的实质.教学难点利用牛顿第二定律计算有关超重和失重问题.教学方法实验法、类比法、讲练法.教学用具投影仪、投影片、体重计.课时安排1课时教学过程用投影片出示本节的课学习目标1.知道什么是超重和失重.2.知道产生失重和超重的条件.3.知道超重和失重的实质.学习目标完成过程一、导入新课教师同学们，人的体重或者物体的重力会不会发生变化呢？学生不会发生变化.教师现有一个简易的体重计,用它可以来称量我们的体重.现在请两位同学上来,其中一个同学站在体重计上,另一个同学在旁边注意观察体重计的示数.学生甲、乙两同学上来.甲观察,乙站在体重计上.教师请问甲同学,此时乙的体重是多少呢?把你看到的示数告诉同学们.学生甲55 kg.教师现在请乙同学快速下蹲,甲同学注意观察乙下蹲过程中体重计示数,并把你看到的现象告诉同学们.学生甲体重计的示数变小了.教师再请乙同学快速站起,甲同学仍要注意观察站起过程示数的变化.学生甲示数变大了.教师同学们都说人的体重是不会变的,为什么乙同学的体重在蹲下和站起来时发生了“变化”呢？难道他的体重真的变了吗？学生回答可能有很多答案.教师究竟为什么会出现这种现象呢?学完这节课后,相信同学们都会明白的.二、新课教学（一）超重教师通过上节课的学习,我们知道应用牛顿运动定律可以解决物体运动和受力联系的有关问题.现在先看这样一个题目:投影片出示:例1升降机地板上放一个弹簧式台秤,秤盘上放一个质量为20 kg的物体(如图示),当升降机:(1)以4 m/s 的速度匀速上升时，台秤读数是多少N？（2）以1 m/s2的加速度竖直上升时，台秤的读数是多少N？（3）以1 m/s2的加速度减速下降时，台秤的读数又是多少N？学生活动阅读题目，并进行思考.教师在本题中,我们选谁作为研究对象更合理些呢?学生选物体更合理些.虽然,台秤的示数是物体对台秤的压力所造成的,即力是直接作用在台秤上的,但台秤其他受力并不清楚,所以我们不能选台秤作为研究对象,而应应用牛顿第三运动定律,把求物体对台秤的压力转化为求台秤对物体的支持力,这样便可选已知条件较多的物体作为研究对象.教师对物体来说又有哪些已知条件呢?学生重力及其运动情况.教师怎样确定其运动情况呢?学生因为物体和台秤都放在升降机中,并和升降机一起运动,所以它们的运动状态和升降机的运动状态是相同的.教师这几个问题属于牛顿运动定律能解决的哪类问题呢?学生第二类.即已知物体的运动情况去确定物体的受力情况.教师解这类问题的关键是什么呢?学生求运动的加速度.教师为什么呢?学生因为加速度是联系物体运动和受力的桥梁.教师搞清楚这些问题后,请同学们独立完成本题中的三个问题.学生活动完成本题.待完成后,用投影片出示本题答案.参考答案取向上为正.(1)由于升降机匀速上升,所以a=0根据牛顿第二定律知:F合=FN-mg=0所以FN=mg=209.8 N=196 N(2)因升降机加速上升,且a=1 m/s2,方向向上,根据牛顿第二定律得:F合=FN-mg=maFN=mg+ma=209.8+201 N=216 N(3)因升降机减速下降,且a=1 m/s2,方向向上,根据牛顿第二定律得:F合=FN-mg=maFN=mg+ma=209.8+201 N=216 N教师物体的实际重量应是多少? 学生196 N.教师第（2)、（3）两情况下秤的示数还是196 N吗?学生不是.教师有什么变化呢?学生比物体的实际重量要大.教师增大的是物体的重量吗?学生不是.教师那是什么呢?学生秤的示数实际是物体对秤压力的大小,所以改变的并不是物体的重量,而是物体对秤的压力,或者物体受的支持力.教师如果拿绳吊着物体做同样的运动,那么这时绳中拉力大小有什么特点呢?学生绳中的拉力应该和秤对物体的支持力所起的作用一样,所以也应是比物体的重力大.教师总结从上面的讨论知:物体对支持物的压力(或悬绳的拉力)有时会大于物体本身的重量,我们把这种现象称为超重.但超重并不是物体的重力变大,而是对支持物的压力(或对悬绳的拉力)变大,重力在这时是不变的.那么在什么情况下才要发生这种现象呢?下面我们接着来分析.教师以物体作为研究对象,超重实际是指物体所受支持力(或拉力)大于重力,这时物体的合力能否为零?学生不能为零.教师合力不为零,那么它的方向应是什么样的呢?学生因为物体受到的支持力或拉力的方向竖直向上,且比物体重力大,所以其所受合力的方向应向上.教师根据牛顿第二定律,物体在这样的合力作用下应产生怎样的加速度呢?学生依据牛顿第二定律的矢量性知:物体应产生向上的加速度.教师结合运动学知识,物体有向上加速度时,它要做什么样的运动呢?学生物体可能向上加速,也可能向下减速运动.教师总结由此可见:当物体具有竖直向上的加速度,做加速上升或减速下降的运动时,会发生超重现象.巩固练习用投影片出示:1.飞机起飞和降落时所处的状态是否是超重状态?为什么?答案与解析：飞机是处于超重状态.飞机起飞时,开始速度为零,起飞后速度大于零,所以这一过程是一加速上升过程,有向上的加速度.故是超重状态.而在下降过程中,开始速度大于零,到地面后速度为零,即:是一种减速下降过程,同样具有向上加速度,所以下降过程也是处于超重状态.2.某钢绳所能承受的最大拉力是4104 N,如果用这条钢绳使3.5 t的货物匀加速上升,则物体在7 s内发生的速度改变不能超过多少?(g取10 m/s2)答案与解析：要求速度改变量的最大值,根据加速度的定义式可知,在时间确定的情况下,实际上就是要求加速度的最大值.而由牛顿第二定律知,在质量确定的前提下,求加速度的最大值,实际上就是求合力的最大值.而在本题中物体只受重力和拉力两个力作用,重力又是恒定不变的,所以只要知道拉力的最大值,即可解得此题.已知:T=4104 N,m=3.5 t=3.5103 kg t=7 s,求v=?取向上方向为正.由力的运算知:F合=T-mg=4104-3.510310 N=5103 N由牛顿第二定律:F合=ma.得:a=F合/ m=5103/3.5103 m/s2=10/7 m/s2由加速度的定义式:a=v/t 得:v=at=10/77 m/s=10 m/s(二)失重引入失重时的几个演示实验演示一： 取一只旧塑料瓶(如可乐瓶)，在瓶的一端侧壁上钻几个小孔。用手指堵住小孔，向瓶中装满水(向水中滴几滴红墨水，便于看得更清楚)，松开手指，则水就会喷射出来这是水的重力产生的压强对瓶壁的作用，如果松开了拿瓶的手，让瓶自由下落，这时可以看到水立即停止喷出，这是由于正在自由下落的水处于完全失重状态，水层之间不再存在压力，故水不会从孔中流出 演示二： 用薄三合板自制一个斜面(稍长些)，把一小车通过细线固定在斜面的上端，此装置放在带有托盘的台秤上(固定好)，待装置静止时观察台秤指针所指的示数点燃火柴烧断系住小车的细线，小车将沿斜面加速下滑，这时可观察到台秤示数变小，这说明小车加速下滑过程中发生了失重现象教师下面我们再来看这样一个例子(用投影片出示)例2质量为60 kg的人,通过光滑的定滑轮拉着m=20 kg的物体(如图所示),当物体以5 m/s2的加速度匀加速下降时,人受到地面的支持力为多少?(g=10 m/s2)学生活动阅读题目.教师我们共同来分析一下本题.本题要求地面对人的支持力,我们应选谁来作为研究对象呢?学生选人作为研究对象.教师我们要通过人的受力来求受力中的其中一个力,故必须对人进行受力分析.活动同学生一起分析人的受力情况.人在此过程中,受重力、支持力、拉力三个力的作用(如图所示)教师人在此过程中做什么样的运动呢?学生静止. 教师那么我们依据什么原理来求人受到的支持力大小呢?学生根据牛顿第二定律知:物体静止时所受的合力应为零,即F拉+F支=mg.由此可得:F支=mg-F拉. 教师应用上式能求出F支吗?学生不能.教师下一步该怎样做呢?学生设法求出绳中拉力的大小.教师怎样求呢?学生通过拉力作用的另一物体的受力来求绳中拉力的大小.教师现在我们一起对物体进行受力分析；物体在此过程中受重力、拉力两个力的作用,且处于加速下降状态.(如图所示)教师依据什么原理来求F拉呢?学生依据牛顿第二定律F合=ma.在已知a的情况下可求得拉力的大小.教师此题分析至此即可求解,请同学们写出解题的过程.投影片出示解题过程解：已知:m物=20 kg,a=5 m/s2,m支=60 kg.求F支=?取向上为正.根据牛顿第二定律:F合=ma得:F拉-mg=-maF拉=mg-ma=2010 N-205 N=100 N根据牛顿第一定律得:F支=mg-F拉=6010 N-100 N=500 N教师在上例中物体的重力大小是多少?学生物体的重力为200 N.教师在此过程中绳的拉力为多少呢?学生物体受到拉力的大小为100 N.教师总结即使把悬绳换为支撑物,此时物体对它的压力也会小于物体的重量.我们把物体对支持物的压力(或对悬绳的拉力)小于物体所受重力的现象叫失重.那么,物体在什么情况下发生失重呢?下面我们一起来分析一下.教师从失重的定义知:当物体发生失重现象时物体所受支持力(或拉力)要小于它的重力,那么,此时物体所受的合力为零吗?学生不为零.教师其合力方向呢?学生合力方向应向下.教师根据牛顿第二定律,它会产生一个什么样的加速度呢?学生产生一个向下的加速度.教师此时物体能做什么运动呢?学生加速下降或减速上升.教师总结由上述分析可见:当物体具有向下的加速度,做加速下降或减速上升运动时,物体会发生失重.巩固训练用投影片出示1.在升降机内顶板上固定一轻弹簧,下端悬挂一重物.某时刻升降机内观察者看到弹簧秤示数小于物重,则升降机的运动状态是( )A.一定是向上的加速运动B.可能是向上做加速运动或向下做减速运动C.一定是向下的加速运动D.可能是向下做加速运动或向上做减速运动2.质量为60 kg的人，站在运动的电梯里的台秤上，台秤的示数是539 N.问电梯的加速度是多大？是上升还是下降？参考答案1.D2.约0.82 m/s2,可能是加速下降也可能是减速上升（三）完全失重教师同学们想一下，在失重状态中，拉力（或支持力）小于物体的重力，从而产生了向下的加速度，那么这个加速度能取到无穷大吗？学生不能.教师为什么呢？学生因为物体的合力有一最大值，即当拉力（或支持力）减为零时，F合最大，且大小等于物体的重力.教师总结由此可见：在失重状态中，向下最大的加速度是重力加速度，我们把此时物体所处的状态叫完全失重状态.处于完全失重状态的物体有些什么特点呢？下面我们来做一个小实验.找一个用过的饮料瓶,在靠近底部的侧面打一小孔,当饮料瓶装上水静止不动时,请同学们仔细观察有什么现象发生?学生水会从小孔喷出.教师为什么呢?学生因为瓶上小孔内部存在由于水的重力而产生的压力(p0+p水)S大于外部压力p0S,故水会喷出.教师由此可见,水喷出的真正原因是由于水的重力而造成的.当瓶自由下落时又会有什么现象呢?演示瓶自由下落.学生水不再喷出了.教师总结由此可见,当物体处于完全失重状态时,凡是和重力有关的现象将消失.巩固练习用投影片出示:容器中盛满水,现让容器自由下落,设在整个下落过程中容器只发生平动,不发生转动,那么下列说法正确的是( )A.下落瞬间水对容器底面压力最大B.下落过程中水对容器底面压力逐渐减小C.下落过程中水对容器底面压力逐渐增大D.下落过程中水对容器底面无压力参考答案 D教师总结通过本节学习可知:物体的重力在同一地点是恒定不变的,它和物体的运动状态没有关系,我们只所以看到秤的示数时而大于重力,时而小于重力,其根本原因是物体对秤的压力变化而造成的,而并不是物体的重力在发生变化.课堂讨论 1超重与物体的重力增大了是否是一回事 失重与物体的重力减小了是否是一回事 2“只要物体向上运动，一定是超重，并且速度越大，超重越多；只要物体向下运动。一定失重，并且速度越大。失重越多”你认为这种说法是否正确? 3乘电梯从低层往高层运动时，何时超重，何时失重?从高层往低层运动时，何时超重，何时失重? 4从牛顿运动定律的角度看：超重和失重是不是一类特征问题 学生活动 讨论并解答上述问题 教师点拨 1在超重和失重现象中，物体的重力并没有变，超重指的是物体对支持面的压力(或对悬挂物的拉力)大于重力，而失重则是物体对支持物的重力(或对悬挂物的拉力)小于重力 2超重还是失重与物体的运动方向无关，仅取决于加速度的方向，只要加速度向上，不论物体向哪儿运动，都处于超重状态只要物体的加速度向下，不论它向哪儿运动，都处于失重状态，超重或失重多少与物体的速度也无关，而取决于加速度的大小 3电梯从低向高运动时。开始启动时超重最后减速时失重；电梯从高向低运动时。启动时失重，减速时超重 4超重和失重并不是一类特征问题。而是牛顿运动定律在竖直方向的应用 三、小结 投影小结思考题 1物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力) 物体所受重力的情况称为超重现象 2产生超重现象的条件是物体具有 的加速度，与物体的速度大小和方向无关 3物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力) 物体所受重力的情况称为失重现象 4产生失重现象的条件是物体具有 的加速度与物体的速度大小和方向无关 5物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力) 的状态叫做完全失重状态 6产生完全失重的条件是：当物体竖直向下的加速度等于 时。就产生完全失重现象四、作业1.课本P64练习六2.补充题请同学阅读“失重和宇宙开发”一文，然后谈谈自己的太空试验设想，可以充分发挥自己的想象力.五、板书设计六、本节优化训练设计1.质量为M的人站在地面上,用绳通过定滑轮将质量为m的重物从高处放下,若重物以加速度a向下降(ag,则人对地面的压力大小为( )A.(m+M)g-maB.M(g-a)-maC.(M-m)g+ma D.Mg-ma2.质量为60 kg的人站在升降机的体重计上，当升降机做下列各种运动时，体重计的示数是多少？(g=9.8 m/s2)( )(1)升降机匀速上升；（2）升降机以4 m/s2的加速度加速上升；（3）升降机以4 m/s2的加速度减速上升；（4）升降机以重力加速度g加速下降.3.如图所示，绳和滑轮间的摩擦均不考虑，已知物体质量M=8 kg，m=2 kg，M与水平桌面间动摩擦因数=0.1，桌面和绳都足够长，物体m距地面高h=0.15 m，求当物体m从高h处由静止释放后，水平桌面上的物体M在停止运动前通过的距离是多少？m下落过程中，绳的拉力是多大？（g取10 m/s2)参考答案1.C以重物m为研究对象，物体受重力mg,方向竖直向下；绳的拉力FT，方向竖直向上两个力的作用.取加速度a的方向为正方向，由牛顿第二定律，有mg-FT=ma.由此解得：FT=m(g-a)mg以人为研究对象，人受重力Mg,地面支持力FN，绳的拉力FT三个力作用，处于平衡状态.故有FN+FT-Mg=0.将FT的表达式代入上式，解得FN=（M-m）g+ma.由牛顿第三定律可知，人对在面的压力大小为FN=FN=(M-m)g+ma.2.(1)588 N；(2)828 N；(3)348 N；(4)0.以人为研究对象，人受到重力mg、方向竖直向下；支持力FN，方向竖直向上两个力的作用.(1)匀速上升时，加速度a=0.根据牛顿第二定律有FN-mg=0，故FN=mg=609.8 N=588 N.由牛顿第三定律可知：体重计的示数为588 N.(2)升降机以4 m/s2的加速度加速上升时，加速度方向向上，以加速度方向为正方向，受力示意图（如图甲所示），根据牛顿第二定律；有FN-mg=ma.解得：FN=m(g+a)=60(9.8+4) N=828 N由牛顿第三定律可知；体重计的示数为828 N.(3）升降机以4 m/s2的加速度减速上升时，加速度方向向下，受力示意图如图乙所示.取加速度方向为正方向，根据牛顿第二定律，有mg-FN=ma,解得：FN=m(g-a)=60(9.8-4)N=348 N由牛顿第三定律可知：体重计的示数为348 N.（4）升降机以重力加速度g加速下降时，加速度方向向下，受力示意图与图乙类似，只是a=g.取加速度方向为正方向，根据牛顿第二定律，有mg-FN=mg.解得FN=0，可见体重计示数为零.3.0.33 m；17.6 Nm释放后下落过程中，绳子牵引物体M在桌面上加速运动，两物体的加速度大小相等，设为a，物体M受重力Mg、支持力FN、绳子的拉力FT及摩擦力Ff四个力作用，各力方向如图甲所示.物体m受重力mg、绳子的拉力FT（绳中拉力大小处处相等）两个力作用，其各力方向如图乙所示，根据牛顿第二定律，对物体m,有mg-FT=ma对物体M，有FT-Ff=Ma且摩擦力为Ff=FN=Mg联立式，解得加速度大小为：a= m/s2=1.2 m/s2.将a值代入式，可求出绳子的拉力为：FT=mg-ma=210 N-21.2 N=17.6 N再由运动学公式v2=2ah,求出m着地瞬间的速度v(也是此瞬间物体M的运动速度）：v= m/s=0.6 m/s此过程中，物体M的位移大小等于m下落的高度，即s1=h=0.15 m.m着地后，绳中拉力消失，物体M在摩擦力作用下做匀减速直线运动，加速度的大小为：a=Mg/M=g=0.110 m/s2=1 m/s2,物体M此阶段的位移s2可利用公式：v2=2as2求出，即s2=v2/2a=(0.6)2/21 m=0.18 m故整个运动过程中，M的总位移为：s=s1+s2=0.15 m+0.18 m=0.33 m