人教版 (2019)必修 第一册第四章 运动和力的关系6 超重和失重学案设计

这是一份人教版 (2019)必修 第一册第四章 运动和力的关系6 超重和失重学案设计，共13页。学案主要包含了重力的测量，超重和失重等内容，欢迎下载使用。

物理观念
(1)通过体验或者实验，认识超重和失重现象．
(2)了解超重和失重现象在各个领域中的应用，解释生活中的超重和失重现象．
(3)理解超重和失重现象的本质．
科学思维
(1)能从实际情境中捕捉信息、发现问题并提出问题．
(2)会用科学知识解释生活现象．
(3)应用牛顿运动定律分析超重和失重现象发生的动力学原因．
科学探究
通过在电梯里观察体重计示数或其他方式发现超重和失重现象产生的条件．
科学态度与责任
通过超重、失重解释生活现象，激发学生的学习热情和兴趣，形成良好的科学态度与责任．
一、重力的测量
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
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______________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(verweight)现象．
(2)产生条件：物体具有____________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＝____，方向____________．
〖总结·图汇要点〗
【思考辨析】
(1)在地球表面附近，无论物体处于什么状态，物体对悬绳的拉力都与重力大小相等．( )
(2)在水平面上做匀速直线运动的火车中，可以用弹簧测力计测量物体的重力大小．( )
(3)物体处于超重状态时重力增大了．( )
(4)物体处于失重状态时重力减小了．( )
(5)物体处于超重或失重状态时，物体的重力始终存在，大小也没有变化．( )
(6)做自由落体运动的物体处于完全失重状态．( )
[导学] 实重与视重
(1)实重：物体实际所受的重力，物体所受的重力不会因物体运动状态的变化而变化．(2)视重：当物体挂在弹簧测力计下或放在水平体重计上时，弹簧测力计或体重计的示数称为“视重”．大小等于弹簧测力计的拉力或体重计所受的压力．(3)超重与失重不是物体本身重力变了，而是“视重”变化了．(4)超重或失重都属于一种现象，是“力”的视觉体现．
[举例1] 电梯匀速运动时，体重秤上小朋友的视重等于实重；电梯向上加速运动时，视重大于实重；电梯向下加速运动时，视重小于实重．
以电梯加速下降为例，沿加速度的方向建立坐标轴x，由牛顿第二定律知mg－N＝ma，N＝mg－ma；由牛顿第三定律可知，人对台秤的压力N ′与台秤对人的支持力相等，
即N ′＝mg－ma.
[举例2] “神舟十号”航天员王亚平太空授课，飞船内的物体处于完全失重状态．
探究点 超重和失重的理解与分析
问题探究
仔细观察下列图片，分析下列问题
站在体重计上向下蹲，你会发现，在下蹲的过程中，体重计的示数先变小，后变大，再变小．当人静止后，体重计的示数保持某一值不变，这是为什么？
(1)如图所示，体重计的示数称为视重，试用牛顿第二定律分析视重为什么会这样变化？
(2)视重小于人的重力叫失重，视重大于人的重力叫超重．试分析人在体重计上站起过程中的超重和失重情况．
(3)站在电梯里的体重计上，感受电梯启动、匀速运行和制动过程中的超重和失重现象并总结．如果电梯自由下落，人会有什么感觉？


归纳总结
1.超重、失重现象的分析
2.对超重和失重的理解
(1)超重与失重现象仅仅是一种表象，无论是超重还是失重，物体所受的重力都没有变化．
(2)物体处于超重还是失重状态，只取决于加速度的方向，与物体的运动方向无关．
(3)加速度的大小决定了超重或失重的程度．视重相对重力的改变量为ma，a为物体竖直方向的加速度．
(4)完全失重是失重现象的极限．完全失重时，与重力有关的一切现象都将消失．
(5)若物体不在竖直方向运动，而加速度在竖直方向有分量，即ay≠0，则当ay竖直向上时物体处于超重状态，当ay竖直向下时物体处于失重状态．
典例示范
题型1 对超重、失重的理解
例1 关于超重和失重，下列说法中正确的是( )
A．超重就是物体受的重力增加了
B．失重就是物体受的重力减小了
C．完全失重就是物体一点重力都不受了
D．不论超重还是失重，物体所受重力是不变的
题型2 判断超重与失重
例2 如图所示，甲图是某人站在力传感器上做下蹲—起跳动作的示意图，甲图中的“●”表示人的重心，乙图是根据力传感器画出的压力F随时间t变化的图线．乙图中a、d、f、g各点数据分别与甲图中人的a、d、f、g状态相对应，其余点对应状态没有在甲图中画出．乙图中a、c、e、i点对应的纵坐标均为600 N.根据这两个图所给出的信息，下列说法中正确的是( )
A．人的重力为600 N
B．乙图中b时刻，人处于超重状态
C．乙图中d时刻，人处于失重状态
D．乙图中i点时刻，人的重心的速度为零
判断超重、失重的方法
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．
题型3 关于超重和失重的计算
例3
(多选)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球，电梯中有质量为50 kg的乘客．在电梯运行时乘客发现轻质弹簧的伸长量始终是电梯静止时伸长量的五分之六．已知重力加速度g＝10 m/s2，由此可判断( )
A.乘客处于失重状态
B．电梯可能减速下降，加速度大小为2 m/s2
C．电梯可能加速上升，加速度大小为2 m/s2
D．乘客对电梯地板的压力为625 N
应用牛顿第二定律解决超重和失重的方法
(1)物体超重与运动状态的关系
(2)物体失重与运动状态的关系
素养训练1 某研究性学习小组为探究电梯启动和制动时的超、失重现象，利用电梯和体重计进行观测．某同学站在体重计上乘电梯从1层到10层，之后又从10层返回到1层，并用照相机进行记录，请认真观察分析下列图片，得出的判断正确的是( )
A．根据图2和图3，可估测电梯向上启动时的加速度
B．根据图1和图2，可估测电梯向上制动时的速度
C．根据图1和图5，可估测电梯向下制动时的加速度
D．根据图4和图5，可估测电梯向下启动时的加速度
素养训练2 一质量为60 kg的人站在观光电梯底板上，如图所示的v ­ t图像是计算机显示的观光电梯在某一段时间内速度变化的情况(竖直向上为正方向)．根据图像提供的信息，可以判断下列说法中正确的是(g取10 m/s2)( )
A.在5～10 s内，该人对电梯底板的压力等于500 N
B．在0～5 s内，观光电梯在加速上升，该人所受的支持力为624 N，处于超重状态
C．在10～20 s内，该人所受的支持力为490 N，处于失重状态
D．在20～25 s内，该人所受的支持力为490 N，处于超重状态
1.下列说法中正确的是( )
A．超重时物体所受的重力不变
B．生活小区电梯启动瞬时，电梯中的人就处于超重状态
C．超重就是物体所受的重力增加
D．飞机减速下降过程中，飞机中的乘客处于失重状态
2．如图所示，金属小桶侧面有一小孔A，当桶内盛水时，水会从小孔A中流出．如果让装满水的小桶自由下落，不计空气阻力，则在小桶自由下落过程中( )
A．水继续以相同的速度从小孔中喷出
B．水不再从小孔喷出
C．水将以更大的速度喷出
D．水将以较小的速度喷出
3．在某届学校秋季运动会上，张明同学以背越式成功地跳过了1.70米的高度，如图．若忽略空气阻力，g取10 m/s2.则下列说法正确的是( )
A．张明下降过程中处于失重状态
B．张明起跳以后在上升过程中处于超重状态
C．张明起跳时地面对他的支持力等于他的重力
D．张明起跳以后在下降过程中重力消失了
4．如图所示，在升降电梯的地板上放一体重计，电梯静止时，某同学站在体重计上，体重计示数为50.0 kg.若电梯运行中的某一段时间内，该同学发现体重计示数变为40.0 kg，则在这段时间内(重力加速度为g)( )
A.该同学所受的重力变小了
B．电梯一定在竖直向下运动
C．该同学对体重计的压力小于体重计对她的支持力
D．电梯的加速度大小为0.2g，方向一定竖直向下
5．若货物随升降机运动的v ­ t图像如图所示(竖直向上为正)，则货物受到升降机的支持力F与时间t关系的图像可能是( )
6．超重和失重
必备知识·自主学习
二、
1．(2)竖直向下
2．(2)竖直向上
3．(2)g 竖直向下
【思考辨析】
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)√
关键能力·合作探究
探究点
【问题探究】
提示：(1)体重计的示数反映了人对体重计的压力，根据牛顿第三定律，人对体重计的压力与体重计对人的支持力FN大小相等，方向相反．人在下蹲时受到重力G和体重计的支持力FN，这两个力的共同作用使人在下蹲的过程中，先后经历加速、减速和静止三个阶段．以向下为正方向，由牛顿第二定律对这三个过程分别列式：
mg－FN1＝ma1，mg－FN2＝－ma2，mg－FN3＝0，解得FN1＝m(g－a1)＜mg，FN2＝m(g＋a2)＞mg，FN3＝mg.
(2)人站起的过程中，先加速后减速．以向上为正方向，由牛顿第二定律，有FN1－mg＝ ma1，FN2－mg＝－ma2，解得FN1＝m(g＋a1)＞mg，FN2＝m(g－a2)＜mg，即人开始超重，后来失重．
(3)电梯匀速运行时，人既不超重也不失重；电梯向上加速启动时人超重，电梯向上减速制动时人失重；电梯向下加速启动时人失重，电梯向下减速制动时人超重．如果电梯自由下落，人只受重力作用，不受电梯的支持力，体重计示数为0，人将感觉不到重力．
【典例示范】
例1 解析：超重(失重)是指物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力大于(小于)物体的重力，而物体的重力并没有变化，完全失重是压力或拉力变为零，故A、B、C错，D对．
答案：D
例2 解析：由图及题意可知a时刻时，人受到的重力与支持力相等，为600 N，A正确；由图可知b时刻时人对传感器的压力小于重力，处于失重状态，故B错误；由图可知d时刻时人对传感器的压力大于重力，处于超重状态，故C错误；根据图像可知，i时刻时人的重心处于下落过程中，此时重力与支持力相等，由于重心在下落过程中先做加速度减小的加速运动，再做减速运动，重力等于支持力时速度最大，故此时人的重心的速度最大，故D错误．
答案：A
例3 解析：电梯静止不动时，小球受力平衡，有mg＝kx，电梯运行时弹簧的伸长量比电梯静止时大，说明弹力变大了，根据牛顿第二定律，有65kx－mg＝ma，解得a＝2ms2，方向竖直向上，电梯可能加速上升或减速下降，乘客处于超重状态，故B、C符合题意，A不符合题意；以乘客为研究对象，根据牛顿第二定律可得FN－Mg＝Ma，解得FN＝600 N，由牛顿第三定律可知乘客对电梯地板的压力大小为600 N，故D不符合题意．
答案：BC
素养训练1 解析：题图1显示同学实际的体重，题图2显示向上加速超重时的示数，题图3显示向上减速失重时的示数，题图4显示向下加速失重时的示数，题图5显示向下减速超重时的示数，综合图片可知，题图1和题图3或题图5可估测电梯制动时的加速度，题图1和题图2或题图4可估测电梯启动时的加速度，故C正确．
答案：C
素养训练2 解析：A错：在5～10 s内，由图像知电梯匀速运动，该人对电梯底板的压力等于他所受的重力为600 N．B对：在0～5 s内，由图像知，此时加速度为a＝ΔvΔt＝25ms2＝0.4 m/s2，
据牛顿第二定律得F－mg＝ma，
解得F＝624 N.
电梯的加速度方向向上，人处于超重状态．C错：在10～20 s内，该人匀减速上升，加速度方向向下，该人处于失重状态，由图像知，此时加速度大小为0.2 m/s2，据牛顿第二定律得mg－F＝ma，解得F＝588 N．D错：在20～25 s内，观光电梯在加速下降，电梯的加速度方向向下，此时人处于失重状态．
答案：B
随堂演练·自主检测
1．解析：A对，C错：处于超重与失重状态的物体所受的重力不变，是因为竖直方向具有加速度导致视重发生改变．B错：电梯向上启动的瞬间加速度方向向上，人所受的支持力变大，则压力变大即视重变大，处于超重状态；反之电梯向下启动的瞬间处于失重状态．D错：飞机减速下降时加速度方向向上，则飞机里的乘客处于超重状态．
答案：A
2．解析：水桶自由下落，处于完全失重状态，故其中的水也处于完全失重状态，对容器壁无压力，故水不会流出，选项B正确．
答案：B
3．解析：在张明下降过程中，只受重力的作用，有向下的重力加速度，是处于完全失重状态，A正确；张明起跳以后在上升过程，也是只受重力的作用，有向下的重力加速度，是处于完全失重状态，B错误；在张明起跳过程中，地面要给人一个向上的支持力，支持力的大小大于人的重力的大小，人才能够有向上的加速度起跳，向上运动，C错误；起跳以后在下降过程中，重力不变，D错误．
答案：A
4．解析：FN＜mg，该同学处于失重状态，但不能判定她的运动方向，在发生超重、失重时，重力不变，作用力与反作用力大小始终相等．故选项D正确．
答案：D
5．解析：由v － t图像可知，升降机的运动过程为：向下加速(失重：Fmg)→向上加速(超重：F>mg)→向上匀速(F＝mg)→向上减速(失重：F答案：B必备知识·自主学习——突出基础性 素养夯基
关键能力·合作探究——突出综合性 素养形成
特征
状态
加速度
视重(F)与重力关系
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)＜mg
向下加速或向上减速
完全
失重
a＝g
F＝0
抛体、正常运行的卫星
随堂演练·自主检测——突出创新性 素养达标