2018版高中物理沪科版必修1学案：第5章 研究力和运动

学案6超重与失重
[目标定位] 1.认识超重和失重现象，理解产生超重、失重现象的条件和实质.2.能应用牛顿运动定律处理超重、失重问题.3.会利用超重、失重知识解释一些现象．
一、什么是超重和失重
[问题设计]小星家住十八楼，每天上学放学均要乘垂直升降电梯上下楼．上学时，在电梯里，开始他总觉得有种“飘飘然”的感觉，背的书包也感觉变“轻”了．快到楼底时，他总觉得自己有种“脚踏实地”的感觉，背的书包也似乎变“重”了．这是什么原因呢？为了研究超重、失重现象，小星在电梯里放了一台台秤如图1所示．设小星的质量为50 kg，g取10 m/s2. 当小星感觉“飘飘然”时，他发现台秤的示数为400 N；当他感觉“脚踏实地”时，他发现台秤的示数为600 N；当电梯门打开时，他发现台秤的示数为500 N.
以上三种情况下小星的重力变化了吗？超重、失重时台秤的示数如何变化？
图1
[要点提炼]
1．实重与视重
(1)实重：物体实际所受的重力．物体所受重力不会因物体运动状态的改变而变化．
(2)视重：当物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力不等于物体的重力时，弹簧测力计或台秤的示数叫做物体的视重．
2．超重与失重
(1)超重：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)____________物体重力的现象．
(2)失重：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)____________物体重力的现象．
(3)完全失重：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)等于零的状态．
二、超重与失重的产生条件
[问题设计]
为了进一步进行超重、失重的研究，小星继续做实验．求下列情况中台秤的示数(如图1，已知小星的质量为50 kg)
(1)当电梯以a＝2 m/s2的加速度匀加速上升；
(2)当电梯以a＝2 m/s2的加速度匀减速上升；
(3)当电梯以a＝2 m/s2的加速度匀加速下降；
(4)当电梯以a＝2 m/s2的加速度匀减速下降；
从以上例子中归纳总结：什么情况下会发生超重现象，什么情况下会发生失重现象？
[要点提炼]
判断超重、失重状态的方法
1．从受力的角度判断
超重：物体所受向上的拉力(或支持力)________重力．
失重：物体所受向上的拉力(或支持力)________重力．
完全失重：物体所受向上的拉力(或支持力)_________ ____________．
2．从加速度的角度判断
超重：物体具有竖直________的加速度．
失重：物体具有竖直________的加速度．
完全失重：物体具有竖直________的加速度，且加速度大小等于________．
3．注意
(1)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．
(2)发生超重、失重或完全失重时，物体所受的重力并没有变化．
(3)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再能使用(如天平)．
(4)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，物体都处于完全失重现象．
[延伸思考]
有人说：“物体超重时重力变大了，失重时重力变小了，完全失重时重力消失了．”对吗？为什么？
一、超重与失重的判断
例1下列说法中正确的是()
A．体操运动员双手握住单杠吊在空中不动时处于失重状态
B．蹦床运动员在空中上升和下落过程中都处于失重状态
C．举重运动员在举起杠铃后不动的那段时间内处于超重状态
D．游泳运动员仰卧在水面静止不动时处于失重状态
二、关于超重与失重的计算
例2(多选)在一电梯的地板上有一压力传感器，其上放一物块，如图2甲所示，当电梯运行时，传感器示数大小随时间变化的关系图像如图乙所示，根据图像分析得出的结论中正确的是()
图2
A．从t1时刻到t2时刻，物块处于失重状态
B．从t3时刻到t4时刻，物块处于失重状态
C．电梯可能开始停在低楼层，先加速向上，接着匀速向上，再减速向上，最后停在高楼层D．电梯可能开始停在高楼层，先加速向下，接着匀速向下，再减速向下，最后停在低楼层
例3在电梯中，把一重物置于台秤上，台秤与力的传感器相连，当电梯从静止起加速上升，然后又匀速运动一段时间，最后停止运动时，传感器的荧屏上显示出其受的压力与时间的关系图像如图3所示．试由此图回答问题：(g取10 m/s2)
图3
(1)该物体的重力是多少？电梯在超重和失重时物体的重力是否变化？
(2)算出电梯在超重和失重时的最大加速度分别是多大？
1．(对超重和失重的理解)(多选)四位同学对超重、失重现象作了如下总结，其中正确的是() A．超重就是物体重力增加了，失重就是物体重力减小了
B．物体加速度向上属于超重，物体加速度向下属于失重
C．不论超重、失重、还是完全失重物体所受重力不变
D．超重就是物体对竖直悬挂物的拉力(或对水平支持物的压力)大于重力的现象，失重则是小于重力的现象
2．(超重和失重的判断)跳水运动员从10 m跳台腾空跃起，先向上运动一段距离达到最高点后，再自由下落进入水池，不计空气阻力，关于运动员在空中上升过程和下落过程以下说法正确的有()
A．上升过程处于超重状态，下落过程处于失重状态
B．上升过程处于失重状态，下落过程处于超重状态
C．上升过程和下落过程均处于超重状态
D．上升过程和下落过程均处于完全失重状态
3．(超重和失重的判断)在探究超重和失重规律时，某体重为G的同学站在一压力传感器上完成一次下蹲和起立的动作．传感器和计算机相连，经计算机处理后得到压力随时间t变化的图像，则下列图像中可能正确的是()
4. (关于超重和失重的计算)一个质量为50 kg的人站在升降机的地板上，升降机的顶部悬挂了一只弹簧测力计，弹簧测力计下面挂着一个质量为m A＝5 kg 的物体A，当升降机向上运动时，人看到弹簧测力计的示数为40 N，如图4所示，g取10 m/s2，求此时人对地板的压力．(g取10 m/s2)
图4
答案精析
知识探究
一、
问题设计
没变；超重时台秤的示数比小星的重力大，失重时台秤的示数比小星的重力小．
要点提炼
2．(1)大于(2)小于
二、
问题设计
(1)匀加速上升时，以人为研究对象，受力情况、加速度方向、速度方向如图甲所示．选向上为正方向．根据牛顿第二定律有N1－mg＝ma
得：N1＝mg＋ma＝50×(10＋2) N＝600 N
(2)匀减速上升时，以人为研究对象，人的受力情况、加速度方向、速度方向如图乙所示．选向下为正方向
根据牛顿第二定律有mg－N2＝ma
得：N2＝mg－ma＝50×(10－2) N＝400 N
甲乙丙丁
(3)匀加速下降时，以人为研究对象，人的受力情况、加速度方向、速度方向如图丙所示，选向下为正方向，根据牛顿第二定律有mg－N3＝ma
得：N3＝mg－ma＝50×(10－2) N＝400 N
(4)匀减速下降时，以人为研究对象，人的受力情况、加速度方向、速度方向如图丁所示，选向上为正方向，根据牛顿第二定律有N4－mg＝ma
得：N4＝mg＋ma＝50×(10＋2) N＝600 N
归纳总结：(1)、(4)中，物体具有向上的加速度时，会发生超重现象；(2)、(3)中，物体具有向下的加速度时，会发生失重现象．
要点提炼
1．大于小于等于零
2．向上向下向下g
延伸思考
不对．超重是物体对悬挂物的拉力(或支持物的压力)大于物体所受重力的现象，物体本身的重
力并没有变化．同理，失重和完全失重时重力也没有变化．
典例精析
例1 B [当加速度方向竖直向下时，物体处于失重状态；当加速度方向竖直向上时，物体处于超重状态，蹦床运动员在空中上升和下降的过程中加速度方向均竖直向下，且a ＝g ，为完全失重状态，所以B 正确．而A 、C 、D 中运动员均为平衡状态，F ＝mg ，既不超重也不失重．] 例2 BC [从F －t 图像可以看出，0～t 1时间内，F ＝mg ，电梯处于静止状态或匀速直线运动状态；t 1～t 2时间内，F >mg ，电梯具有向上的加速度，物块处于超重状态，可能加速向上运动或减速向下运动；t 2～t 3时间内，F ＝mg ，电梯处于静止状态或匀速直线运动状态；t 3～t 4时间内，F <mg ，电梯具有向下的加速度，物块处于失重状态，可能加速向下运动或减速向上运动．综上分析可知，B 、C 正确．]
例3 (1)30 N 不变 (2)6.67 m/s 2 6.67 m/s 2
解析 (1)根据题意4 s 到18 s 物体随电梯一起匀速运动，由共点力平衡的条件知：压力和重力相等，即G ＝30 N ；
根据超重和失重的本质得：物体的重力不变
(2)超重时：支持力最大为50 N ，由牛顿第二定律得a 1＝F 合m ＝50－303
m/s 2≈6.67 m/s 2，方向向上
失重时：支持力最小为10 N ，由牛顿第二定律得a 2＝
F 合′m ＝30－103 m/s 2≈6.67 m/s 2，方向向下． 达标检测
1．BCD 2.D 3.D
4．400 N 竖直向下。