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高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第5节 超重与失重课文配套课件ppt
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这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第5节 超重与失重课文配套课件ppt，共53页。
要点一 超重现象物理学中把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 现象称为超重❶现象。
要点二 失重现象物理学中把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 现象称为失重❷现象。人们乘电梯加速下降时,就处于失重状态。若竖直向 下的加速度大小正好等于重力加速度g,人对座椅的压力N=0,这称为完全失 重❸现象。
❶以下对超重概念的理解哪些是正确的? ( )A.在上升的电梯中物体就处于超重状态B.在下降的电梯中的物体也可能处于超重状态C.物体在倾斜面运动时不可能处于超重状态
提示 B 物体处于超重状态的标志是竖直方向有向上的加速度,比如减速 下降。
❷对失重的理解判断正误。(1)失重时,就是物体重力变小了。 ( )(2)物体向上减速运动时处于失重状态。 ( )(3)物体匀速下落时处于失重状态。 ( )
提示 (1)× (2)√ (3)×❸对完全失重理解正确的是 ( )A.完全失重状态下的物体,重力完全消失了B.在太空中,宇航员处于完全失重状态,所以说宇航员在太空中不受重力作用C.物体抛出后只在重力作用下的运动状态就是完全失重状态
提示 C 完全失重状态下的物体所受重力没有改变。
1.对超重、失重的理解(1)物体超重或失重时,只是物体对悬挂物的拉力或对水平支持物的压力发生 了变化,物体本身的重力并没有改变。(2)超重或失重是由物体加速度的方向决定的,与速度方向无关。(3)加速度向上的两种运动状态:加速上升或减速下降,加速度向下的两种运 动状态:加速下降或减速上升。
2.对完全失重的理解(1)完全失重是物体的视重为零,对支持物的压力(或悬挂物的拉力)为零,处于 完全失重的物体具有竖直向下、大小为g的加速度。(2)发生完全失重现象时,与重力有关的一切现象都将消失,比如物体对支持 物无压力、摆钟将停止摆动、靠重力使用的仪器也不能再使用(如天平)。(3)只受重力作用的一切抛体运动,如我们学过的自由落体运动和竖直上抛运 动等,物体在空中只受重力的运动,其加速度等于g,物体处于完全失重状态。
探究一点 超重和失重现象
1.如图所示,在弹簧测力计下悬挂一个重物,处于静止状态,那么弹簧测力 计的示数指的是什么?
2.若手提弹簧测力计向上加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大 了吗?
提示 示数增大,重物的重力不变。
3.若手提弹簧测力计向下加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大 了吗?
提示 示数减小,重物的重力不变。
1.超失重实质超重实质:物体处于超重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直 方向上有向上的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对 平衡状态时增大了,出现了 “视重”大于“实重” 的现象。失重实质:物体处于失重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直 方向上有向下的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对 平衡状态时减小了,出现了“视重”小于“实重”的现象。
2.完全失重当物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)等于零时,我们称物体处于完全 失重状态。实质原因为物体竖直向下的加速度等于重力加速度。
例 原地起跳摸高是篮球和羽毛球重要的训练项目之一,训练过程中,运动员 先由静止下蹲一段位移,经过充分调整后,发力跳起摸到一定的高度,关于摸 高整个过程中的失重与超重,下列说法正确的是 ( )A.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先超重后失重B.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先超重后失重C.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先失重后超重D.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先失重后超重
解析 下蹲阶段从静止开始运动到最低点静止,先加速后减速,加速度先 向下后向上,先失重后超重;上升阶段先从静止开始加速上升,加速度向上处 于超重状态,离开地面后做竖直上抛运动,加速度向下处于失重状态。故 选B。
解题感悟 判断超重、失重的方法(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)方法口诀:超重与失重,全由加速度的方向定,向上为超重,向下为失重。
1.高跷运动是一项新型运动,图甲为弹簧高跷。当人抓住扶手用力蹬跄踏板 拉伸弹簧后,人会向上弹起,进而带动高跷跳跃,如图乙所示。不计空气阻力, 下列说法正确的是 ( ) A.弹簧拉伸到最低点时,高跷对地面的压力等于人和高跷到的总重力B.人从最低点向上弹起的过程中,踏板对人的作用力一定大于人对踏板的作用力
C.人从最低点向上弹起到最高点的过程中,先处于超重状态,后处于失重状态D.人从最高点下落至最低点的过程中,先做匀加速运动后做匀减速运动
解析 弹簧拉伸到最低点时,弹力大于重力,加速度方向向上,人和高跷处于超重状态,高跷对地面的压力大于人和高跷的总重力,A错误;踏板对人的作用力和人对踏板的作用力是一对作用力和反作用力,它们大小相等,方向相反,B错误;人从最低点向上弹起到最高点的过程中,弹力先大于重力,加速度方向向上,人处于超重状态,然后弹力小于重力,人处于失重状态,C正确;人从最高点下落到最低点的过程中,弹力是变化的,合力是变化的,做变加速运动,D错误。
2.体育课上某同学做引体向上。他两手握紧单杠,双臂竖直,身体悬垂;接着用 力上拉使下颚超过单杠(身体无摆动);然后使身体下降,最终悬垂在单杠上。 下列说法正确的是 ( ) A.在上升过程中单杠对人的作用力始终大于人的重力B.在下降过程中单杠对人的作用力始终小于人的重力
C.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力不变D.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力变大
解析 人在上升过程中,由于身体先做加速运动,后做减速运动,人先处于 超重状态,后处于失重状态,单杠对人的作用力先大于人的重力,后小于人的 重力,A错误。同理,人在下降过程中,身体先做加速运动,后做减速运动,人先 处于失重状态,后处于超重状态,单杠对人的作用力先小于人的重力,后大于 人的重力,B错误。根据力的合成法则知,当增大两手间的距离,即增大两拉力 的夹角时,因拉力的合力不变,则单臂的拉力变大,故C错误,D正确。
探究点二 超重和失重分析
1.超失重现象的状态及受力分析
2.超重和失重问题的解题步骤(1)确定研究对象,并对其进行受力分析,画出受力示意图;(2)分析物体的运动状态,确定加速度的方向,并在受力示意图旁边标出;(3)选取加速度的方向为正方向,根据牛顿第二定律列方程;(4)解方程,得到物体所受悬挂物的拉力或支持面的支持力;(5)根据加速度的方向判定物体处于超重还是失重状态(若加速度向上超重, 加速度向下失重)。
1.(多选)某同学站在压力传感器上完成下蹲动作,如图为传感器记录的压力 随时间变化的情况,横坐标表示时间,纵坐标表示压力。重力加速度取10 m/s 2,下列说法正确的是 ( )
A.a点对应该同学所受合外力方向向上B.b点对应该同学所受合外力方向向上C.该同学的质量为50 kgD.下蹲过程中该同学始终处于失重状态
解析 该同学下蹲过程分别有失重和超重两个状态,先是加速下降,到达一个最大速度后再减速下降,对应先失重再超重,到达最低点后处于平衡状态,所以在a点该同学处于失重状态,该同学所受合外力方向向下,在b点该同学处于超重状态,该同学所受合外力方向向上,A、D错误,B正确;开始时该同学处于平衡状态,传感器记录的压力等于该同学的重力G,则由G=mg知该同学的质量m=50 kg,故C正确。
2.(★)(多选)某同学用台秤研究在电梯中的超失重现象,在地面上称得其体重 为500 N,再将台秤移至电梯内称其体重,电梯从t=0时由静止开始运动,到t=11 s时停止,得到台秤的示数F随时间t的变化情况如图所示(g=10 m/s2)。则 ( )
A.电梯为下降过程B.在10~11 s内电梯的加速度大小为2 m/s2C.F3的示数为550 ND.电梯运行的总位移为19 m
解析 0~2 s内电梯支持力小于重力,合力向下,加速度向下,初始为静止,所以0~2 s电梯为匀加速下降。2~10 s内支持力等于重力,平衡状态,保持2 s末的速度做匀速直线运动,10~11 s支持力大于重力,合力向上,由于之前的速度方向向下,所以此阶段向下匀减速,选项A对。匀加速阶段加速度a= =1 m/s2,2 s末的速度v2=at1=2 m/s,此阶段位移x1= a =2 m,匀速阶段位移x2=v2t2=16 m,匀减速阶段时间t'=1 s,初速度为2 s末的速度,末速度等于0,所以可得此阶段加速度大小a'= =2 m/s2,根据牛顿第二定律FN'-G=ma'= a',得此时的支持力FN'=600 N,即F3=600 N,此阶段位移x3= t'=1 m,总位移x1+x2+x3=19 m,C错误,B、D正确。
1.下列漫画描绘了超失重的现象,若图a表示电梯静止或者匀速运动的情形, 那么图b、图c分别表示电梯在如何运动,下列说法正确的是 ( ) A.图b可能表示电梯向上做减速运动B.图b可能表示电梯向上做加速运动C.图c可能表示电梯向上做加速运动
D.图c可能表示电梯向下做减速运动
解析 图b中图案被压扁了,是超重,加速度向上,可能向上做加速运动,也可能向下做减速运动,B正确,A错误;图c中图案被拉长了,是失重,加速度向下,可能向下做加速运动,也可能向上做减速运动,C、D错误。
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,如图中a点是弹性绳的原长位置,c点是人所能到达的最低点,b点是 人静止地悬吊着的平衡位置。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,人处于失重状态C.在bc段绳的拉力小于人的重力,人处于失重状态D.在c点,人的速度为零,其加速度为零
解析 人在Pa段做自由落体运动,处于完全失重状态,A正确;在ab段绳的拉力小于人的重力,人的加速度向下,则人处于失重状态,B正确;在bc段绳的拉力大于人的重力,加速度向上,则人处于超重状态,C错误;在c点,人的速度为零,但加速度不为零,D错误。
3.(★)图甲是某人站在接有传感器的力板上做下蹲、起跳和回落动作的示意 图,图中的小黑点表示人的重心。图乙是力板所受压力随时间变化的图像,取 重力加速度g=10 m/s2。根据图像分析可知 ( )
A.人的重力可由b点读出,约为280 NB.b到c的过程中,人先处于超重状态再处于失重状态C.f点是人在双脚离开力板的过程中,上升最高的点
D.人在b点对应时刻的加速度小于在c点对应时刻的加速度
解析 开始时人处于平衡状态,人对传感器的压力约为900 N,人的重力也约为900 N,A错误;由题图乙所示图像可知,从b到c的过程中,人对力板的压力先小于自身重力后大于自身重力,因此人先处于失重状态后处于超重状态,B错误;若图中f点为双脚离开力板的过程中,上升到的最高点,则此时双脚对板无压力,故传感器显示为0,与题图乙中所表述的力的大小不符,C错误;由题图乙所示图像可知,在b点人对力板的压力约为300 N,力板对人的支持力约为300 N,人所受合力约为900 N-300 N=600 N, 在c点,人对力板的压力约为2 000 N,力板对人的支持力约为2 000 N,人受到的合力约为2 000 N-900 N=1 100 N, 人在b点受到的合力小于在c点受到的合力,由牛顿第二定律可知,人在b点的加速度大小小于在c点的加速度大小,故D正确。
失重中有一种特殊现象——完全失重,所谓完全失重是物体的视重为零,也就 是说,在物体在做自由落体运动时,如果你去称它的重量,视重为0,其原因是物 体具有向下的加速度,而且其全部重力都提供了物体向下的加速度。同样卫 星中的物体与卫星做同样的圆周运动,重力提供向心力。2013年我国宇航员 在完全失重的情况下为我们演示了单摆、陀螺实验,与非完全失重状态下差 异很大。
1.将一支点燃的蜡烛放置在充满氧气、封闭的自由下落的电梯里,蜡烛还会 继续燃烧吗?
解析 在重力环境下,蜡烛燃烧加热空气,因为重力空气发生对流,从而补充 了燃烧所需要的氧气;在完全失重状态下,空气不会形成对流,蜡烛由于得不 到充足的氧气会熄灭。
2.侧面有一个洞的水瓶里面装满水,让水瓶做自由落体运动,水会不会从洞中 射出来?为什么?
解析 当杯子自由下落时,杯中的水处于完全失重状态,水的内部没有压力, 故水不会射出来。但杯子中水的重力仍然存在,其作用效果是用来产生重力 加速度。
1.关于超重与失重,下列说法正确的是 ( )A.电梯在上升时,物体总是处于超重状态B.电梯在下降时,物体总是处于失重状态C.在超重现象中,物体的重力增大D.在超重和失重现象中,物体的重力均不变
解析 超重和失重只和加速度的方向有关,而且在超失重的现象中重力不变。
2.女子十米台跳水比赛中,运动员从跳台斜向上跳起,一段时间后落入水中,如 图所示。不计空气阻力,下列说法正确的是 ( ) A.她在空中上升过程中处于超重状态B.她上升到最高点时的加速度大小为零C.她即将入水时的速度为整个跳水过程中的最大速度D.入水过程中,水对她的作用力大小等于她对水的作用力大小
解析 女子在空中上升的过程中,只受到重力作用,此时加速度等于g,方向竖 直向下,则处于完全失重状态,入水过程中,水对她的作用力与她对水的作用 力大小相等。
3.我国发射的“神舟七号”宇宙飞船的返回舱在重返大气层时,速度可达几 千米每秒,为保证返回舱安全着陆,在即将落地时要利用制动火箭使返回舱减 速到某一安全值,在这段时间内 ( )A.飞船处于失重状态B.飞船处于平衡状态C.宇航员受到的重力变小D.宇航员受到的重力小于返回舱对他的支持力
解析 即将落地时要利用制动火箭使返回舱减速到某一安全值,由此可知,此 时的飞船具有向上的加速度,所以是处于超重状态,无论处于超重还是失重状 态,宇航员的重力是不变的,只是对支持物的压力变了,宇航员具有向上的加 速度,返回舱对他的支持力大于重力。
4.下列有关超重和失重的说法,正确的是 ( )A.物体处于超重状态,物体所受的重力变大B.做竖直上抛运动的物体处于完全失重状态C.在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于上升过程D.在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于下降过程
解析 物体处于超重或失重状态时,只与加速度的方向有关,与运动方向无 关,物体的重力并没变,只是对支持物的压力或悬挂物的拉力变了。
5.如图甲所示。为了测量运动员跃起的高度,训练时可在弹性网上安装压力 传感器,利用传感器记录弹性网的压力,并在计算机上作出压力-时间图像(F-t 图像),假如作出的图像如图乙所示。设运动员在空中运动时可视为质点,不 计空气阻力,下列说法正确的是(g取10 m/s2) ( )
A.运动员在空中运动的时间为1 sB.1.1~2.3 s中,当F最大时,运动员一定处于超重状态C.运动员跃起的最大高度为3.0 mD.运动员跃起的最大高度为7.2 m
解析 由图知运动员在空中运动的时间为t=4.3 s-2.3 s=2 s。1.1~2.3 s图像表 示,在第1.1 s开始时接触弹性网,一段时间内弹力逐渐增加,一直到弹力与重 力大小相等,此过程加速度方向向下,处于失重状态;然后弹力大于重力一直 到弹力达到最大,此时加速度方向向上,处于超重状态;运动员触底后反弹,先 超重后失重。运动员做竖直上抛运动,根据运动的对称性可知,跃起的最大高 度为h= ,代入数据解得h=5 m。
6.(多选)为了让乘客乘车更为舒适,某探究小组设计了一种新的交通工具,乘 客的座椅能随着坡度的变化而自动调整,使座椅始终保持水平,如图所示。当 此车减速上坡时,乘客 ( ) A.处于失重状态B.处于超重状态
C.受到向前的摩擦力作用D.所受力的合力沿斜面向下
解析 当此车减速上坡时,整体的加速度沿斜面向下,乘客具有向下的加速 度,所以处于失重状态,A正确,B错误;对乘客进行受力分析,乘客受重力、支 持力,由于乘客加速度沿斜面向下,而静摩擦力必沿水平方向,所以受到向后 的摩擦力作用,C错误;由于乘客加速度沿斜面向下,根据牛顿第二定律可知, 乘客所受力的合力沿斜面向下,D正确。
7.如图所示,竖直矿井中的升降机可实现地下深处和地面之间的人员快速运 送。某一竖直矿井的深度约为120 m,升降机运行的最大速度为10 m/s。某次 升降机从矿井底部向地面运送工作人员,先匀加速运动到最大速度,再匀速运 动,最后匀减速运动到达地面。有人恰好站在吊舱内的一台秤上,在升降机上 升的过程中发现台秤的读数依次为72 kg、60 kg、48 kg,最终升降机到达地 面速度恰好为零。已知升降机吊舱和舱内人员的总质量为2 t,重力加速度g= 10 m/s2,求:
(1)升降机加速运动时的加速度大小;(2)减速运动时缆绳对吊舱的拉力大小;(3)运送过程的总时间。
答案 (1)2 m/s2 (2)1.6×104 N (3)17 s
解析 (1)设升降机加速运动时的加速度大小为a1,由牛顿第二定律得FN-mg= ma1其中FN=720 N,m=60 kg,代入数据解得a1=2 m/s2(2)升降机减速运动阶段,设加速度大小为a2,对人有mg-FN'=ma2其中FN'=480 N代入数据解得a2=2 m/s2对舱内人员和吊舱整体有Mg-F=Ma2代入数据解得F=1.6×104 N
(3)升降机匀加速阶段,根据公式v=v0+at,得匀加速阶段的时间为t1= = s=5 s匀加速阶段的位移大小为h1= a1 = ×2×52 m=25 m升降机匀减速阶段,根据逆向思维法,由公式v=v0+at,得匀减速阶段的时间为t2 = = s=5 s匀减速阶段的位移大小为
h2= a2 = ×2×52 m=25 m匀速阶段的位移大小为h3=h-h1-h2=70 m匀速阶段的时间为t3= =7 s所以运动总时间为t=t1+t2+t3=17 s
要点一 超重现象物理学中把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 现象称为超重❶现象。
要点二 失重现象物理学中把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 现象称为失重❷现象。人们乘电梯加速下降时,就处于失重状态。若竖直向 下的加速度大小正好等于重力加速度g,人对座椅的压力N=0,这称为完全失 重❸现象。
❶以下对超重概念的理解哪些是正确的? ( )A.在上升的电梯中物体就处于超重状态B.在下降的电梯中的物体也可能处于超重状态C.物体在倾斜面运动时不可能处于超重状态
提示 B 物体处于超重状态的标志是竖直方向有向上的加速度,比如减速 下降。
❷对失重的理解判断正误。(1)失重时,就是物体重力变小了。 ( )(2)物体向上减速运动时处于失重状态。 ( )(3)物体匀速下落时处于失重状态。 ( )
提示 (1)× (2)√ (3)×❸对完全失重理解正确的是 ( )A.完全失重状态下的物体,重力完全消失了B.在太空中,宇航员处于完全失重状态,所以说宇航员在太空中不受重力作用C.物体抛出后只在重力作用下的运动状态就是完全失重状态
提示 C 完全失重状态下的物体所受重力没有改变。
1.对超重、失重的理解(1)物体超重或失重时,只是物体对悬挂物的拉力或对水平支持物的压力发生 了变化,物体本身的重力并没有改变。(2)超重或失重是由物体加速度的方向决定的,与速度方向无关。(3)加速度向上的两种运动状态:加速上升或减速下降,加速度向下的两种运 动状态:加速下降或减速上升。
2.对完全失重的理解(1)完全失重是物体的视重为零,对支持物的压力(或悬挂物的拉力)为零,处于 完全失重的物体具有竖直向下、大小为g的加速度。(2)发生完全失重现象时,与重力有关的一切现象都将消失,比如物体对支持 物无压力、摆钟将停止摆动、靠重力使用的仪器也不能再使用(如天平)。(3)只受重力作用的一切抛体运动,如我们学过的自由落体运动和竖直上抛运 动等,物体在空中只受重力的运动,其加速度等于g,物体处于完全失重状态。
探究一点 超重和失重现象
1.如图所示,在弹簧测力计下悬挂一个重物,处于静止状态,那么弹簧测力 计的示数指的是什么?
2.若手提弹簧测力计向上加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大 了吗?
提示 示数增大,重物的重力不变。
3.若手提弹簧测力计向下加速运动,测力计的示数如何变化?重物的重力增大 了吗?
提示 示数减小,重物的重力不变。
1.超失重实质超重实质:物体处于超重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直 方向上有向上的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对 平衡状态时增大了,出现了 “视重”大于“实重” 的现象。失重实质:物体处于失重状态时,物体的重力并没有发生变化,只是因为竖直 方向上有向下的加速度,物体对水平支持物的压力(或对悬挂物的拉力)相对 平衡状态时减小了,出现了“视重”小于“实重”的现象。
2.完全失重当物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)等于零时,我们称物体处于完全 失重状态。实质原因为物体竖直向下的加速度等于重力加速度。
例 原地起跳摸高是篮球和羽毛球重要的训练项目之一,训练过程中,运动员 先由静止下蹲一段位移,经过充分调整后,发力跳起摸到一定的高度,关于摸 高整个过程中的失重与超重,下列说法正确的是 ( )A.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先超重后失重B.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先超重后失重C.下蹲阶段先失重后超重,上升阶段先失重后超重D.下蹲阶段先超重后失重,上升阶段先失重后超重
解析 下蹲阶段从静止开始运动到最低点静止,先加速后减速,加速度先 向下后向上,先失重后超重;上升阶段先从静止开始加速上升,加速度向上处 于超重状态,离开地面后做竖直上抛运动,加速度向下处于失重状态。故 选B。
解题感悟 判断超重、失重的方法(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)方法口诀:超重与失重,全由加速度的方向定,向上为超重,向下为失重。
1.高跷运动是一项新型运动,图甲为弹簧高跷。当人抓住扶手用力蹬跄踏板 拉伸弹簧后,人会向上弹起,进而带动高跷跳跃,如图乙所示。不计空气阻力, 下列说法正确的是 ( ) A.弹簧拉伸到最低点时,高跷对地面的压力等于人和高跷到的总重力B.人从最低点向上弹起的过程中,踏板对人的作用力一定大于人对踏板的作用力
C.人从最低点向上弹起到最高点的过程中,先处于超重状态,后处于失重状态D.人从最高点下落至最低点的过程中,先做匀加速运动后做匀减速运动
解析 弹簧拉伸到最低点时,弹力大于重力,加速度方向向上,人和高跷处于超重状态,高跷对地面的压力大于人和高跷的总重力,A错误;踏板对人的作用力和人对踏板的作用力是一对作用力和反作用力,它们大小相等,方向相反,B错误;人从最低点向上弹起到最高点的过程中,弹力先大于重力,加速度方向向上,人处于超重状态,然后弹力小于重力,人处于失重状态,C正确;人从最高点下落到最低点的过程中,弹力是变化的,合力是变化的,做变加速运动,D错误。
2.体育课上某同学做引体向上。他两手握紧单杠,双臂竖直,身体悬垂;接着用 力上拉使下颚超过单杠(身体无摆动);然后使身体下降,最终悬垂在单杠上。 下列说法正确的是 ( ) A.在上升过程中单杠对人的作用力始终大于人的重力B.在下降过程中单杠对人的作用力始终小于人的重力
C.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力不变D.若增大两手间的距离,最终悬垂时单臂的拉力变大
解析 人在上升过程中,由于身体先做加速运动,后做减速运动,人先处于 超重状态,后处于失重状态,单杠对人的作用力先大于人的重力,后小于人的 重力,A错误。同理,人在下降过程中,身体先做加速运动,后做减速运动,人先 处于失重状态,后处于超重状态,单杠对人的作用力先小于人的重力,后大于 人的重力,B错误。根据力的合成法则知,当增大两手间的距离,即增大两拉力 的夹角时,因拉力的合力不变,则单臂的拉力变大,故C错误,D正确。
探究点二 超重和失重分析
1.超失重现象的状态及受力分析
2.超重和失重问题的解题步骤(1)确定研究对象,并对其进行受力分析,画出受力示意图;(2)分析物体的运动状态,确定加速度的方向,并在受力示意图旁边标出;(3)选取加速度的方向为正方向,根据牛顿第二定律列方程;(4)解方程,得到物体所受悬挂物的拉力或支持面的支持力;(5)根据加速度的方向判定物体处于超重还是失重状态(若加速度向上超重, 加速度向下失重)。
1.(多选)某同学站在压力传感器上完成下蹲动作,如图为传感器记录的压力 随时间变化的情况,横坐标表示时间,纵坐标表示压力。重力加速度取10 m/s 2,下列说法正确的是 ( )
A.a点对应该同学所受合外力方向向上B.b点对应该同学所受合外力方向向上C.该同学的质量为50 kgD.下蹲过程中该同学始终处于失重状态
解析 该同学下蹲过程分别有失重和超重两个状态,先是加速下降,到达一个最大速度后再减速下降,对应先失重再超重,到达最低点后处于平衡状态,所以在a点该同学处于失重状态,该同学所受合外力方向向下,在b点该同学处于超重状态,该同学所受合外力方向向上,A、D错误,B正确;开始时该同学处于平衡状态,传感器记录的压力等于该同学的重力G,则由G=mg知该同学的质量m=50 kg,故C正确。
2.(★)(多选)某同学用台秤研究在电梯中的超失重现象,在地面上称得其体重 为500 N,再将台秤移至电梯内称其体重,电梯从t=0时由静止开始运动,到t=11 s时停止,得到台秤的示数F随时间t的变化情况如图所示(g=10 m/s2)。则 ( )
A.电梯为下降过程B.在10~11 s内电梯的加速度大小为2 m/s2C.F3的示数为550 ND.电梯运行的总位移为19 m
解析 0~2 s内电梯支持力小于重力,合力向下,加速度向下,初始为静止,所以0~2 s电梯为匀加速下降。2~10 s内支持力等于重力,平衡状态,保持2 s末的速度做匀速直线运动,10~11 s支持力大于重力,合力向上,由于之前的速度方向向下,所以此阶段向下匀减速,选项A对。匀加速阶段加速度a= =1 m/s2,2 s末的速度v2=at1=2 m/s,此阶段位移x1= a =2 m,匀速阶段位移x2=v2t2=16 m,匀减速阶段时间t'=1 s,初速度为2 s末的速度,末速度等于0,所以可得此阶段加速度大小a'= =2 m/s2,根据牛顿第二定律FN'-G=ma'= a',得此时的支持力FN'=600 N,即F3=600 N,此阶段位移x3= t'=1 m,总位移x1+x2+x3=19 m,C错误,B、D正确。
1.下列漫画描绘了超失重的现象,若图a表示电梯静止或者匀速运动的情形, 那么图b、图c分别表示电梯在如何运动,下列说法正确的是 ( ) A.图b可能表示电梯向上做减速运动B.图b可能表示电梯向上做加速运动C.图c可能表示电梯向上做加速运动
D.图c可能表示电梯向下做减速运动
解析 图b中图案被压扁了,是超重,加速度向上,可能向上做加速运动,也可能向下做减速运动,B正确,A错误;图c中图案被拉长了,是失重,加速度向下,可能向下做加速运动,也可能向上做减速运动,C、D错误。
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,如图中a点是弹性绳的原长位置,c点是人所能到达的最低点,b点是 人静止地悬吊着的平衡位置。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,人处于失重状态C.在bc段绳的拉力小于人的重力,人处于失重状态D.在c点,人的速度为零,其加速度为零
解析 人在Pa段做自由落体运动,处于完全失重状态,A正确;在ab段绳的拉力小于人的重力,人的加速度向下,则人处于失重状态,B正确;在bc段绳的拉力大于人的重力,加速度向上,则人处于超重状态,C错误;在c点,人的速度为零,但加速度不为零,D错误。
3.(★)图甲是某人站在接有传感器的力板上做下蹲、起跳和回落动作的示意 图,图中的小黑点表示人的重心。图乙是力板所受压力随时间变化的图像,取 重力加速度g=10 m/s2。根据图像分析可知 ( )
A.人的重力可由b点读出,约为280 NB.b到c的过程中,人先处于超重状态再处于失重状态C.f点是人在双脚离开力板的过程中,上升最高的点
D.人在b点对应时刻的加速度小于在c点对应时刻的加速度
解析 开始时人处于平衡状态,人对传感器的压力约为900 N,人的重力也约为900 N,A错误;由题图乙所示图像可知,从b到c的过程中,人对力板的压力先小于自身重力后大于自身重力,因此人先处于失重状态后处于超重状态,B错误;若图中f点为双脚离开力板的过程中,上升到的最高点,则此时双脚对板无压力,故传感器显示为0,与题图乙中所表述的力的大小不符,C错误;由题图乙所示图像可知,在b点人对力板的压力约为300 N,力板对人的支持力约为300 N,人所受合力约为900 N-300 N=600 N, 在c点,人对力板的压力约为2 000 N,力板对人的支持力约为2 000 N,人受到的合力约为2 000 N-900 N=1 100 N, 人在b点受到的合力小于在c点受到的合力,由牛顿第二定律可知,人在b点的加速度大小小于在c点的加速度大小,故D正确。
失重中有一种特殊现象——完全失重,所谓完全失重是物体的视重为零,也就 是说,在物体在做自由落体运动时,如果你去称它的重量,视重为0,其原因是物 体具有向下的加速度,而且其全部重力都提供了物体向下的加速度。同样卫 星中的物体与卫星做同样的圆周运动,重力提供向心力。2013年我国宇航员 在完全失重的情况下为我们演示了单摆、陀螺实验,与非完全失重状态下差 异很大。
1.将一支点燃的蜡烛放置在充满氧气、封闭的自由下落的电梯里,蜡烛还会 继续燃烧吗?
解析 在重力环境下,蜡烛燃烧加热空气,因为重力空气发生对流,从而补充 了燃烧所需要的氧气;在完全失重状态下,空气不会形成对流,蜡烛由于得不 到充足的氧气会熄灭。
2.侧面有一个洞的水瓶里面装满水,让水瓶做自由落体运动,水会不会从洞中 射出来?为什么?
解析 当杯子自由下落时,杯中的水处于完全失重状态,水的内部没有压力, 故水不会射出来。但杯子中水的重力仍然存在,其作用效果是用来产生重力 加速度。
1.关于超重与失重,下列说法正确的是 ( )A.电梯在上升时,物体总是处于超重状态B.电梯在下降时,物体总是处于失重状态C.在超重现象中,物体的重力增大D.在超重和失重现象中,物体的重力均不变
解析 超重和失重只和加速度的方向有关,而且在超失重的现象中重力不变。
2.女子十米台跳水比赛中,运动员从跳台斜向上跳起,一段时间后落入水中,如 图所示。不计空气阻力,下列说法正确的是 ( ) A.她在空中上升过程中处于超重状态B.她上升到最高点时的加速度大小为零C.她即将入水时的速度为整个跳水过程中的最大速度D.入水过程中,水对她的作用力大小等于她对水的作用力大小
解析 女子在空中上升的过程中,只受到重力作用,此时加速度等于g,方向竖 直向下,则处于完全失重状态,入水过程中,水对她的作用力与她对水的作用 力大小相等。
3.我国发射的“神舟七号”宇宙飞船的返回舱在重返大气层时,速度可达几 千米每秒,为保证返回舱安全着陆,在即将落地时要利用制动火箭使返回舱减 速到某一安全值,在这段时间内 ( )A.飞船处于失重状态B.飞船处于平衡状态C.宇航员受到的重力变小D.宇航员受到的重力小于返回舱对他的支持力
解析 即将落地时要利用制动火箭使返回舱减速到某一安全值,由此可知,此 时的飞船具有向上的加速度,所以是处于超重状态,无论处于超重还是失重状 态,宇航员的重力是不变的,只是对支持物的压力变了,宇航员具有向上的加 速度,返回舱对他的支持力大于重力。
4.下列有关超重和失重的说法,正确的是 ( )A.物体处于超重状态,物体所受的重力变大B.做竖直上抛运动的物体处于完全失重状态C.在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于上升过程D.在沿竖直方向运动的升降机中出现失重现象时,升降机一定处于下降过程
解析 物体处于超重或失重状态时,只与加速度的方向有关,与运动方向无 关,物体的重力并没变,只是对支持物的压力或悬挂物的拉力变了。
5.如图甲所示。为了测量运动员跃起的高度,训练时可在弹性网上安装压力 传感器,利用传感器记录弹性网的压力,并在计算机上作出压力-时间图像(F-t 图像),假如作出的图像如图乙所示。设运动员在空中运动时可视为质点,不 计空气阻力,下列说法正确的是(g取10 m/s2) ( )
A.运动员在空中运动的时间为1 sB.1.1~2.3 s中,当F最大时,运动员一定处于超重状态C.运动员跃起的最大高度为3.0 mD.运动员跃起的最大高度为7.2 m
解析 由图知运动员在空中运动的时间为t=4.3 s-2.3 s=2 s。1.1~2.3 s图像表 示,在第1.1 s开始时接触弹性网,一段时间内弹力逐渐增加,一直到弹力与重 力大小相等,此过程加速度方向向下,处于失重状态;然后弹力大于重力一直 到弹力达到最大,此时加速度方向向上,处于超重状态;运动员触底后反弹,先 超重后失重。运动员做竖直上抛运动,根据运动的对称性可知,跃起的最大高 度为h= ,代入数据解得h=5 m。
6.(多选)为了让乘客乘车更为舒适,某探究小组设计了一种新的交通工具,乘 客的座椅能随着坡度的变化而自动调整,使座椅始终保持水平,如图所示。当 此车减速上坡时,乘客 ( ) A.处于失重状态B.处于超重状态
C.受到向前的摩擦力作用D.所受力的合力沿斜面向下
解析 当此车减速上坡时,整体的加速度沿斜面向下,乘客具有向下的加速 度,所以处于失重状态,A正确,B错误;对乘客进行受力分析,乘客受重力、支 持力,由于乘客加速度沿斜面向下,而静摩擦力必沿水平方向,所以受到向后 的摩擦力作用,C错误;由于乘客加速度沿斜面向下,根据牛顿第二定律可知, 乘客所受力的合力沿斜面向下,D正确。
7.如图所示,竖直矿井中的升降机可实现地下深处和地面之间的人员快速运 送。某一竖直矿井的深度约为120 m,升降机运行的最大速度为10 m/s。某次 升降机从矿井底部向地面运送工作人员,先匀加速运动到最大速度,再匀速运 动,最后匀减速运动到达地面。有人恰好站在吊舱内的一台秤上,在升降机上 升的过程中发现台秤的读数依次为72 kg、60 kg、48 kg,最终升降机到达地 面速度恰好为零。已知升降机吊舱和舱内人员的总质量为2 t,重力加速度g= 10 m/s2,求:
(1)升降机加速运动时的加速度大小;(2)减速运动时缆绳对吊舱的拉力大小;(3)运送过程的总时间。
答案 (1)2 m/s2 (2)1.6×104 N (3)17 s
解析 (1)设升降机加速运动时的加速度大小为a1,由牛顿第二定律得FN-mg= ma1其中FN=720 N,m=60 kg,代入数据解得a1=2 m/s2(2)升降机减速运动阶段,设加速度大小为a2,对人有mg-FN'=ma2其中FN'=480 N代入数据解得a2=2 m/s2对舱内人员和吊舱整体有Mg-F=Ma2代入数据解得F=1.6×104 N
(3)升降机匀加速阶段,根据公式v=v0+at,得匀加速阶段的时间为t1= = s=5 s匀加速阶段的位移大小为h1= a1 = ×2×52 m=25 m升降机匀减速阶段,根据逆向思维法,由公式v=v0+at,得匀减速阶段的时间为t2 = = s=5 s匀减速阶段的位移大小为
h2= a2 = ×2×52 m=25 m匀速阶段的位移大小为h3=h-h1-h2=70 m匀速阶段的时间为t3= =7 s所以运动总时间为t=t1+t2+t3=17 s
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