人教版 (2019)必修 第一册6 超重和失重导学案及答案

超重和失重

【学习目标】

【学习重难点】

1．探究超重失重现象及其实质

2．结合牛顿运动定律分析生活体验失重和超重

【学习过程】

一、知识纲要导引

二、基础导学

（一）重力的测量（自学教材“重力的测量”部分）

方法一：先测量物体做自由落体运动的加速度g，再用天平测量物体的质量，利用牛顿第二定律可得：G＝mg．

方法二：利用力的平衡条件对重力进行测量．将待测物体悬挂或放置在测力计上，使它处于静止状态．这时物体所受的重力和测力计对物体的拉力或支持力的大小相等，测力计的示数反映了物体所受的重力大小．

（二）超重和失重（自学教材“超重和失重”部分）

1．失重

（1）定义：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受重力的现象，叫作失重（weightlessness）现象．

（2）产生条件：物体具有竖直向下的加速度．

2．超重

（1）定义：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）大于物体所受重力的现象，叫作超重（overweight）现象．

（2）产生条件：物体具有竖直向上的加速度．

3．完全失重

（1）定义：物体对支持物（或悬挂物）完全没有作用力，这种现象被叫作完全失重状态．

（2）产生条件：加速度a＝g，方向竖直向下．

三、思考判断

（1）物体向上运动时一定处于超重状态．（    ）

（2）物体减速向下运动时处于失重状态．（    ）

（3）物体处于失重状态时重力减小了．（    ）

（4）超重就是物体的重力变大的现象．（    ）

（5）减速上升的升降机内的物体对地板的压力小于重力．（    ）

（6）做自由落体运动的物体处于完全失重状态．（    ）

答案：（1）×（2）×（3）×（4）×（5）√（6）√

四、思考与讨论

人站在力传感器上完成下蹲动作．观察计算机采集的图线．图1呈现的是某人下蹲过程中力传感器的示数随时间变化的情况．

很明显，图线直观地描绘了人在下蹲过程中力传感器的示数先变小，后变大，再变小，最后保持某一数值不变的全过程．

如图2，图线显示的是某人站在力传感器上，先“下蹲”后“站起”过程中力传感器的示数随时间的变化情况．

请你分析力传感器上的人“站起”过程中超重和失重的情况．

问题解答：人“站起”过程中，先是加速上升超重，到达一个最大速度后再减速上升失重，所以人“站起”过程先超重再失重．

做一做

在电梯地板上放一台体重计．站在体重计上，观察电梯启动、制动和运行过程中体重计示数的变化．

问题解答：设电梯向上运行，电梯启动过程体重计的示数变大且大于重力，人处于超重状态；电梯在制动过程中体重计的示数减小且小于重力，人处于失重状态；电梯在运行过程中体重计的示数不变且等于重力，人既不失重也不超重．

五、启迪思维，突破重点

主题一：对超重与失重的理解

1．重力与视重

（1）重力：是地面附近的物体由于地球的吸引而受到的力．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．超重和失重的实质

（1）超重时，物体所受支持力（或拉力）与重力的合力方向向上，测力计的示数大于物体的重力．

（2）失重时，物体所受支持力（或拉力）与物体重力的合力方向向下，测力计的示数小于物体的重力．

知识链接1：

（1）超重与失重不是物体本身重力变了，而是“视重”变化了．

（2）超重或失重都属于一种现象，是“力”的视觉体现．

知识链接2：空间站中的宇航员处于完全失重状态

3．超重、失重常对应的物体运动状态

（1）超重对应的运动状态：向上加速运动，向下减速运动．

（2）失重对应的运动状态：向上减速运动，向下加速运动．

4．对完全失重的解释

当物体具有向下的加速度g时，设支持物对物体的支持力（或悬挂物对物体的拉力）为F．由牛顿第二定律有：mg－F＝mg可得F＝0．完全失重现象是失重现象的极限．

特别提醒,

完全失重状态下，一切由重力产生的物理现象都将完全消失．如：

气压计不能使用——因为液柱不再产生向下的压力

天平不能测质量——天平在任何条件下都平衡．

知识链接

（1）下蹲过程：静止→向下加速→向下减速→静止．

（2）起立过程：静止→向上加速→向上减速→静止．

典例示范

例1：如图是某同学站在压力传感器上做下蹲—起立的动作时传感器记录的压力随时间变化的图线，纵坐标为压力，横坐标为时间．由图线可知，该同学的体重约为650N，除此以外，还可以得到以下信息（    ）

A．1s时人处在下蹲的最低点

B．2s时人处于下蹲静止状态

C．该同学做了2次下蹲—起立的动作 

D．下蹲过程中人始终处于失重状态

解析：可通过以下表格对各选项逐一分析．

答案：B

方法技巧

判断超、失重有“三看”

一看“力”：物体受竖直向上的拉力（或支持力）大于重力时，处于超重状态；小于重力时，处于失重状态．

二看“加速度”：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；向下的加速度为重力加速度时，处于完全失重状态．

三看“速度”：物体向上加速或向下减速时，处于超重状态；物体向下加速或向上减速时，处于失重状态．,

训练1：（多选）如图所示，小敏正在做双脚跳台阶的健身运动．若忽略空气阻力，小敏起跳后，下列说法正确的是（    ）

A．上升过程处于超重状态

B．下降过程处于超重状态

C．上升过程处于失重状态

D．下降过程处于失重状态

解析：若忽略空气阻力，小敏起跳后，在空中运动的过程中只受重力，加速度就是重力加速度，则小敏起跳后，上升过程与下降过程均处于失重状态，故C、D两项正确．

答案：CD

主题二：定量分析超重、失重问题

超重、失重现象原因的定量分析

超重和失重现象与物体的速度方向和大小无关，只取决于物体加速度的方向．

典例示范

例2：质量为60kg的人站在升降机中的体重计上，如图所示，当升降机做下列各种运动时，体重计的读数分别是多少？（g取10m/s2）

（1）升降机匀速上升；

（2）升降机以4m/s2的加速度匀加速上升；

（3）升降机以3m/s2的加速度匀减速上升或匀加速下降．

解析：以人为研究对象进行受力分析，人受重力和支持力作用．

（1）升降机匀速上升时a＝0，所以有FN－mg＝0，即FN＝mg＝600N

根据牛顿第三定律知FN′＝FN＝600N．

（2）升降机匀加速上升时，加速度方向向上，人处于超重状态，取向上为正方向，则有FN1－mg＝ma1

所以FN1＝m（g＋a1）＝60×（10＋4）N＝840N

根据牛顿第三定律知FN′1＝FN1＝840N．

（3）升降机匀减速上升或匀加速下降时，加速度方向都向下，人都处于失重状态，取向下为正方向，则有mg－FN2＝ma2

所以FN2＝m（g－a2）＝60×（10－3）N＝420N

根据牛顿第三定律知FN′2＝FN2＝420N．

答案：（1）600N（2）840N（3）420N

解题思路：

（1）应根据加速度方向判断物体处于超重状态还是失重状态；

（2）选加速度方向为正方向；

（3）分析物体的受力情况；

（4）利用牛顿第二定律进行求解．

解题关键：确定物体加速度的大小和方向．

训练2：如图所示，用绳子将质量为2kg的盘式弹簧秤吊起，使秤盘保持水平．在秤盘上放上质量为0．5kg的砝码之后，使整个秤竖直向上运动，此时秤的指针示数为0．55kg，不计空气阻力．（g取10m/s2）求：

（1）盘式弹簧秤运动加速度的方向．

（2）盘式弹簧秤运动加速度的大小．

（3）绳子对盘式弹簧秤的拉力．

解析：（1）秤的指针示数为0．55kg，大于砝码的质量，所以砝码受到的支持力大于其重力，砝码处于超重状态，可知加速度的方向向上．

（2）由牛顿第二定律：FN－mg＝ma，所以a＝＝m/s2＝1m/s2

（3）以弹簧秤与砝码组成的整体为研究对象，则：FT－（m＋M）g＝（m＋M）a

代入数据得：FT＝27.5N，方向竖直向上．

答案：（1）盘式弹簧秤运动加速度的方向向上（2）1 m/s2（3）27.5N，方向竖直向上

六、达标检测

1．[2019·湖南六校联盟高一联考]里约奥运会男子跳高决赛的比赛中，加拿大选手德劳因突出重围，以2米38的成绩夺冠（如图所示）．则（    ）

A．德劳因在最高点处于平衡状态

B．德劳因起跳以后在上升过程处于失重状态

C．德劳因起跳时地面对他的支持力等于他所受的重力

D．德劳因下降过程处于超重状态

解析：无论是上升过程还是下降过程，还是最高点，运动员的加速度始终向下，所以他处于失重状态，故A、D错误，B正确；起跳时运动员加速度的方向向上，地面对他的支持力大于他受到的重力，故C错误．故选B．

答案：B

2．在一个封闭装置中，用弹簧测力计测一物体的重力，根据读数与物体实际重力之间的关系，判断以下说法中正确的是（    ）

A．读数偏大，表明装置一定加速上升

B．读数偏小，表明装置一定加速下降

C．读数为0，表明装置运动的加速度等于重力加速度，但无法判断是向上运动还是向下运动

D．读数准确，表明装置一定匀速上升或下降

解析：读数偏大，表明装置处于超重状态，其加速度方向向上，可能的运动情况是加速上升或减速下降，故A项错误，同理知B项也错误．弹簧测力计读数为0，即完全失重，这表明整个装置运动的加速度等于重力加速度g，但是a＝g时，速度方向有可能向上，也有可能向下，还有可能沿其他方向，故C项正确．读数准确，装置可能静止，也可能正在向任意一个方向做匀速直线运动，故D项错误．

答案：C

3．2016年10月17日，“神舟十一号”载人飞船发射成功，如图所示．宇航员在火箭发射与飞船回收的过程中均要经受超重与失重的考验，下列说法正确的是（    ）

A．火箭加速上升时，宇航员处于超重状态

B．飞船落地前减速下落时，宇航员处于失重状态

C．火箭加速上升时，宇航员对座椅的压力小于自身重力

D．火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，宇航员处于失重状态

解析：火箭加速上升时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，对座椅的压力大于自身重力，选项A正确、C错误；飞船落地前减速下落时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知宇航员受到的支持力大于自身的重力，宇航员处于超重状态，选项B错误；火箭加速上升过程中加速度逐渐减小时，加速度方向向上，宇航员处于超重状态，选项D错误．

答案：A

4．[2019·福州高一检测]在升降电梯内的地板上放一体重计，电梯静止时，晓敏同学站在体重计上，体重计示数为30kg，电梯运动过程中，某一段时间内，晓敏同学发现体重计示数如图所示．在这段时间内下列说法中正确的是（    ）

A．晓敏同学所受的重力变大了

B．电梯可能在竖直向下运动

C．晓敏对体重计的压力大于体重计对晓敏的支持力

D．电梯的加速度大小为g，方向竖直向下

解析：可通过以下表格对各选项逐一分析．

答案：B

5．（多选）如图所示，电梯的顶部挂一个弹簧秤，秤下端挂了一个重物，电梯匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6N，关于电梯的运动，以下说法正确的是（g取10m/s2）（    ）

A．电梯可能向上加速运动，加速度大小为4m/s2

B．电梯可能向下加速运动，加速度大小为4m/s2

C．电梯可能向上减速运动，加速度大小为4m/s2

D．电梯可能向下减速运动，加速度大小为4m/s2

解析：电梯做匀速直线运动时，弹簧秤的示数为10N，可知重物的重力等于10N，在某时刻电梯中的人观察到弹簧秤的示数变为6N，对重物，根据牛顿第二定律有mg－F＝ma，解得a＝4m/s2，方向竖直向下，则电梯的加速度大小为4m/s2，方向竖直向下，因此电梯可能向下做加速运动，也可能向上做减速运动，选项B、C正确．

答案：BC