高中物理人教版 (2019)必修 第一册超重和失重学案及答案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一册超重和失重学案及答案，共12页。
2．会应用牛顿第二定律分析超重和失重现象发生的动力学原因，理解超重和失重现象的本质。
3．了解超重和失重现象在各个领域的应用，解释生活中的超重和失重现象。
超重和失重现象
【链接教材】 如图所示，蹲在体重计上向上站起来的过程，你会发现体重计如何变化？



【知识梳理】
1．重力的测量
方法一：先测量物体做自由落体运动的__________，再用__________测量物体的质量，利用牛顿第二定律得：__________。
方法二：利用力的__________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__________状态，这时测力计的示数反映了物体所受的__________大小。
2．超重和失重
(1)体重计的__________反映了人对体重计的__________。
(2)失重
①定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)__________物体所受重力的现象。
②产生条件：物体具有__________(选填“竖直向上”或“竖直向下”)的加速度。
(3)超重
①定义：物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)__________物体所受重力的现象。
②产生条件：物体具有__________(选填“竖直向上”或“竖直向下”)的加速度。
(4)完全失重
①定义：物体对支持物(或悬挂物)__________没有作用力的状态。
②产生条件：a＝g，方向__________。
【思考讨论】 如图所示，找一个用过的易拉罐、金属罐头盒或塑料瓶，在靠近底部的侧面打一个洞，用手指按住洞，在里面装上水。
问题1 移开手指，水就从洞中射出来，这是为什么？



问题2 如果放开手，让瓶子自由落下，在下落的过程中，水将不再从洞中射出。实际做一做，观察所产生的现象。怎样解释这一现象？



【知识归纳】
1．超重和失重的理解
(1)重力：物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化。
(2)物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)与物体的重力不同的现象，即超重或失重现象。
2．判断物体超重与失重的方法
(1)从受力的角度判断
超重：物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力。
失重：物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力。
(2)从加速度的角度判断
当物体的加速度方向向上(或竖直分量向上)时，处于超重状态。
当物体的加速度方向向下(或竖直分量向下)时，处于失重状态。
【典例1】 (超重、失重的判断)2024年10月30日神舟十九号航天员乘组进驻中国空间站，航天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，航天员处于超重状态
B．火箭加速上升时，航天员对座椅的压力小于自身重力
C．在飞船绕地球运行时，航天员处于完全失重状态，则航天员的重力消失了
D．飞船落地前减速下落时，航天员处于失重状态
[听课记录]



【典例2】 (与图像结合的超重、失重问题)某电梯运行时可视为只受重力与绳索拉力，已知电梯在t＝0时由静止开始上升，其加速度a与时间t的关系如图所示。下列相关说法正确的是( )
A．t＝6 s时，电梯处于失重状态
B．7～53 s时间内，绳索拉力最小
C．t＝59 s时，电梯处于超重状态
D．t＝60 s时，电梯速度恰好为0
[听课记录]



【典例3】 (与图像结合的超重、失重问题)某同学站在电梯内，利用速度传感器研究电梯的升降过程。取竖直向上为正方向，电梯在某一段时间内速度的变化情况如图所示。根据图像提供的信息，下列说法正确的是( )
A．在0～5 s内，电梯加速上升，该同学处于失重状态
B．在5～10 s内，该同学对电梯底部的压力小于其重力
C．在10～20 s内，电梯减速上升，该同学处于失重状态
D．在20～25 s内，电梯加速下降，该同学处于超重状态
[听课记录]



超重与失重的计算
【思考讨论】 小明为了研究超重、失重和完全失重情况下物体的受力情况，用一个弹簧测力计悬吊着重物，通过控制整体的运动情况来观察弹簧测力计的示数。
问题1 让挂着重物的测力计缓缓地向上或向下做匀速运动，观察测力计的示数有无变化。



问题2 使挂着重物的测力计突然竖直向上做加速运动，仔细观察在加速的瞬间测力计示数有无变化。



【知识归纳】
1．平衡、超重、失重、完全失重的比较
2．解决超重、失重问题的基本思路
(1)明确研究对象，进行受力分析。
(2)判断加速度的方向，并建立合理的坐标轴。
(3)应用牛顿第二定律列出方程。
(4)代入数据求解，必要时进行讨论。
【典例4】 (超重现象的计算)快递可以用无人机进行运载。在某次无人机竖直飞行试验中，无人机的质量为M，货物的质量为m，无人机与货物间通过轻绳相连。无人机以恒定动力F从地面开始加速上升，不计空气阻力，重力加速度为g。则在无人机加速上升过程中( )
A．货物处于失重状态
B．加速度大小为a＝FM－g
C．轻绳上的拉力大小为FT＝mMF
D．轻绳上的拉力大小为FT＝mM+mF
[听课记录]



【典例5】 (失重现象的计算)某人在地面上最多能举起50 kg 的物体，当他在竖直向上运动的电梯中最多举起60 kg的物体时，电梯加速度的大小和方向为(g＝10 m/s2)( )
A．2 m/s2，竖直向上
B．53 m/s2，竖直向上
C．2 m/s2，竖直向下
D．53 m/s2，竖直向下
[听课记录]



【典例6】 [链接教材P111例题](超重、失重的综合计算)某同学设计了一个测量长距离电动扶梯加速度的实验。将一电子健康秤置于水平的扶梯台阶上，实验员站在健康秤上相对健康秤静止。使电动扶梯由静止开始斜向上运动，整个运动过程可分为三个阶段，先加速、再匀速、最终减速停下。已知电动扶梯与水平方向夹角为37°。重力加速度g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8。某次测量的三个阶段中电子健康秤的示数F随时间t的变化关系，如图所示。
(1)画出加速过程中实验员的受力示意图；
(2)求该次测量中实验员的质量m；
(3)求该次测量中电动扶梯加速过程的加速度大小a1和减速过程的加速度大小a2(结果保留2位有效数字)。
[听课记录]



1．(多选)2024年8月6日，在巴黎奥运会女子10米跳台跳水决赛中，中国选手全红婵凭借“水花消失术”征服了评委和观众并获得冠军。如图所示为全红婵上升和下降的两个精彩瞬间，不计空气阻力，全红婵从离开跳台至入水前，下列说法正确的是( )
A．全红婵运动到最高点时加速度为0
B．全红婵的速率先变小后变大
C．全红婵在下降阶段处于失重状态
D．全红婵离开跳台后上升阶段处于超重状态
2．某人站在力的传感器(连着计算机)上完成下蹲、起立动作，计算机屏幕上显示出力的传感器示数F随时间t变化的情况如图所示，g取10 m/s2。下列说法正确的是( )
A．该人下蹲时间约为0.5 s
B．下蹲过程该人一直处于失重状态
C．起立过程该人一直处于超重状态
D．该人下蹲过程的最大加速度的大小约为6 m/s2
3．一质量为60 kg的人站在竖直向上运动的升降机底板上，看到升降机顶板上有一竖直悬挂的弹簧测力计，他便将一重为5 N的物体挂上，这时弹簧测力计示数为8 N，重力加速度g取10 m/s2。试计算：
(1)升降机的加速度的大小和方向；
(2)此人对升降机底板的压力。






回归本节知识，完成以下问题：
1．我们是如何测量物体的重力的？依据的原理是什么？
2．我们常用平衡条件测量重力，测量时要使物体保持静止状态，当物体处于加速或减速状态时，测量值还等于物体的真实重力吗？
3．超重、失重现象的实质是什么？
人体生理的微重效应
人体在漫长的进化过程中，已经适应了周围的物理环境，例如，地球表面的温度、电磁场、重力场等。地球表面的重力场强度大约在9.8 m/s2，作用于所有物体上。人体中的每一器官、组织，细胞以及生物分子都是在这样的重力场中得以演化并赖以生存的。一旦失去了正常的重力场，生物体的器官和组织就将失去平衡，导致一系列的生理变化，甚至危及生命。超重和失重就是两种偏离正常重力场的典型状态。所谓微重力环境就是重力强度大大减少，十分微弱，其大小大约只有地球表面重力场强度的百万分之一。航天员乘坐宇宙飞船在太空中飞行就是在这样的微重环境下生活和工作的。
在太空中，航天员可以毫不费力地飘浮在飞船中，他们用自己的内力去建立运动。在微重力的空间里，方向性已经无意义了，因为只有在地球上由于重力才有“上”“下”的方向概念。在地面上的人们是靠内耳的敏感器官传递信息给大脑，以保持身体的平衡。在太空的微重状态下，与重力有关的振动发生了变化，把神经系统搞乱了，结果内耳的传感系统向大脑传递了模糊不清的信息，身体难以平衡。这种感觉在地球上也能体会到。例如，在海上旅行时，船体在波涛中起伏摇晃，不适应者感到头昏目眩。这就是身体失去平衡产生的感觉，有时称作“运动病”。为了使航天员适应微重状态，可让他们在实验室内做训练。航天员们坐在旋转的椅子上或者旋转的机舱内，以不同的速度旋转，航天员们就可感受到不同的重力条件，以体验他们将要去的太空和星球的重力环境。
失重环境下，太空中航天员想要知道自己是胖了还是瘦了，该怎么办呢？



6．超重和失重
[探究重构·关键能力达成]
知识点一
挖掘教材·梳理要点
链接教材
提示：体重计的示数先变大，后变小，再变大。
知识梳理
1．加速度g 天平 G＝mg 平衡条件 静止 重力
2．(1)示数 压力 (2)小于 竖直向下 (3)大于 竖直向上 (4)完全 竖直向下
互动探究·深化提升
思考讨论
问题1 提示：水能从洞中流出的原因是水能产生压力，静止时，洞之上的水产生的压力把洞附近的水压出。
问题2 提示：在瓶子自由落下的过程中，水处于完全失重状态，洞附近的水不再受压力，所以水将不再从洞中射出。
典例1 A [火箭加速上升时，加速度方向向上，根据牛顿第二定律可知航天员受到的支持力大于自身的重力，航天员处于超重状态，对座椅的压力大于自身重力，A正确，B错误；航天员处于完全失重状态时，仍然受重力，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航天员受到的支持力大于自身的重力，航天员处于超重状态，D错误。]
典例2 D [根据a-t图像可知t＝6 s时电梯的加速度向上，电梯处于超重状态，故A错误；53~60 s时间内，加速度的方向向下，电梯处于失重状态，绳索的拉力小于电梯的重力，而7~53 s时间内，a＝0，电梯处于平衡状态，绳索拉力等于电梯的重力，应大于电梯失重时绳索的拉力，所以这段时间内绳索拉力不是最小，故B错误；t＝59 s时，电梯减速向上运动，加速度方向向下，电梯处于失重状态，故C错误；根据a-t图像与横轴所围的面积表示速度的变化量，由几何知识可知，0~60 s时间内电梯速度的变化量为0，而电梯的初速度为0，所以t＝60 s时，电梯速度恰好为0，故D正确。]
典例3 C [在0~5 s内，从速度—时间图像可知，此时的加速度为正，说明电梯的加速度向上，此时该同学处于超重状态，故A错误；5~10 s内，该同学做匀速运动，故其对电梯底部的压力等于他所受的重力，故B错误；在10~20 s内，电梯向上做匀减速运动，加速度向下，该同学处于失重状态，故C正确；在20~25 s内，电梯向下做匀加速运动，加速度向下，故该同学处于失重状态，故D错误。]
知识点二
互动探究·深化提升
思考讨论
问题1 提示：没有发生变化。
问题2 提示：测力计示数有变化。
典例4 D [无人机加速上升，货物处于超重状态，故A错误；取无人机与货物整体为研究对象，进行受力分析，根据牛顿第二定律有F－(M＋m)g＝(M＋m)a，解得a＝FM＋m－g，故B错误；取货物为研究对象，进行受力分析，根据牛顿第二定律有FT－mg＝ma，得FT＝mFM＋m，故C错误，D正确。]
典例5 D [由题意可知，在地面上，此人能承受的最大压力为Fm＝mg＝500 N，在电梯中他能举起60 kg的物体，物体一定处于失重状态，对60 kg的物体有m'g－Fm＝m'a，即a＝600−50060 m/s2＝53 m/s2，方向竖直向下，D正确。]
典例6 解析：(1)加速过程，加速度斜向右上方，分解后，既有水平向右的加速度，又有竖直向上的加速度，所以水平方向要有水平向右的摩擦力，竖直方向上支持力大于重力，受力示意图如图所示。
(2)3~6 s电动扶梯匀速运动，实验员受力平衡
F＝mg＝600 N
解得m＝60 kg。
(3)加速阶段，对加速度分解如图所示，
竖直方向上，根据牛顿第二定律有
F－mg＝ma1sin 37°
解得a1＝59 m/s2≈0.56 m/s2
同理减速时，根据牛顿第二定律有
mg－F'＝ma2sin 37°
解得a2＝512 m/s2≈0.42 m/s2。
答案：(1)见解析图 (2)60 kg (3)0.56 m/s2 0.42 m/s2
[应用迁移·随堂评估自测]
1．BC [全红婵运动到最高点时，只受重力作用，加速度为重力加速度，故A错误；全红婵做竖直上抛运动，先向上减速再向下加速，故B正确；全红婵离开跳台后，无论是上升状态还是下降状态，都具有向下的加速度，均处于失重状态，故C正确，D错误。]
2．D [下蹲过程中，初速度为0，末速度也为0，则下蹲过程先加速向下运动后减速向下运动，该人先处于失重状态，后处于超重状态。从题图可知1~2 s过程为下蹲过程，则下蹲时间约为1 s，故A、B错误；起立过程，初速度为0，末速度也为0，则起立过程先加速向上运动后减速向上运动，该人先处于超重状态，后处于失重状态，所以C错误；由题图可知该人静止时有mg＝N＝500 N，支持力最小为200 N，最大约为700 N，由牛顿第二定律可得mg－Nmin＝ma1，Nmax－mg＝ma2，联立解得a1＝6 m/s2，a2＝4 m/s2，所以该人下蹲过程的最大加速度的大小约为6 m/s2，故D正确。]
3．解析：(1)由题意可知，升降机、人及物体的加速度相等，对物体进行受力分析，它受重力G和弹簧的拉力F作用。根据牛顿第二定律有F－G＝ma
解得a＝F−Gm＝8−50.5 m/s2＝6 m/s2，方向竖直向上。
(2)人受升降机底板的支持力FN和重力Mg的作用，根据牛顿第二定律有FN－Mg＝Ma
解得FN＝Mg＋Ma＝960 N
根据牛顿第三定律，此人对升降机底板的压力大小为FN'＝960 N，方向竖直向下。
答案：(1)6 m/s2，方向竖直向上 (2)960 N，方向竖直向下
课堂小结
1．提示：(1)根据G＝mg，先测物体自由落体运动的加速度g，再用天平测物体的质量。
(2)利用弹簧测力计测重力，依据平衡条件F＝mg。
2．提示：不等于。
3．提示：出现超重(失重)现象时，物体的重力并没有变，只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力比自身的重力大(或小)。
[阅读材料·拓宽物理视野]
提示：设计一个弹簧产生恒定的力，和一个加速度测量仪，应用牛顿第二定律F＝ma，就可以算出身体的质量了。特征状态
加速度
物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)(F)与重力的关系
运动情况
受力图
平衡
a＝0
F＝mg
静止或匀速直线运动
超重
向上
F＝m(g＋a)>mg
向上加速或向下减速
失重
向下
F＝m(g－a)