高中物理學(xué)案第5章第5節(jié)超重與失重

第5節(jié)超重與失重一、超重現(xiàn)象在乘豎直升降的電梯上樓時(shí)，電梯向上啟動(dòng)的瞬間大家都有“向下墜”的感覺(jué)，好像自己變重了，這是為什么呢？提示：電梯向上啟動(dòng)的瞬間，電梯里的人處于超重狀態(tài)，電梯對(duì)人的支持力大于人的重力，使自己感覺(jué)好像變重了。1．定義：物體對(duì)懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?大于物體所受重力的現(xiàn)象。2．產(chǎn)生條件：物體具有豎直向上的加速度。3．運(yùn)動(dòng)類(lèi)型：超重物體做向上的加速運(yùn)動(dòng)或向下的減速運(yùn)動(dòng)。二、失重現(xiàn)象太空中宇宙飛船里的宇航員，好像都有超能力，都能飄浮在空中，這是為什么？提示：宇宙飛船中的宇航員處于完全失重狀態(tài)，所以會(huì)“飄浮”在空中。1．定義：物體對(duì)懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?小于物體所受重力的現(xiàn)象。2．產(chǎn)生條件：物體具有豎直向下的加速度。3．運(yùn)動(dòng)類(lèi)型：失重物體做向上的減速運(yùn)動(dòng)或向下的加速運(yùn)動(dòng)。4．完全失重：(1)定義：物體對(duì)懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?等于零的狀態(tài)。(2)產(chǎn)生條件：物體豎直向下的加速度等于重力加速度。(3)所有的拋體運(yùn)動(dòng)，在不計(jì)阻力的情況下，都處于完全失重狀態(tài)。某同學(xué)學(xué)習(xí)超重和失重現(xiàn)象后，總結(jié)出以下結(jié)論：①?gòu)椈蓽y(cè)力計(jì)測(cè)量重力時(shí)其示數(shù)一定等于物體的重力大小。②物體處于超重狀態(tài)時(shí)，重力增大了。③物體處于失重狀態(tài)時(shí)，物體的重力沒(méi)有變化。④處于完全失重狀態(tài)的物體不受重力作用。⑤做自由落體的物體處于完全失重狀態(tài)。你的判斷：正確的結(jié)論有③⑤。在運(yùn)行的電梯上，某同學(xué)站在臺(tái)秤上突然看到自己的體重變大。思考：體重變大的原因是什么？人有加速度嗎？什么方向？可能做什么運(yùn)動(dòng)？提示：人對(duì)支持面的壓力變大。人有加速度，向上，可能加速上升或減速下降。一、認(rèn)識(shí)超重和失重(物理觀念——相互作用觀念)我們測(cè)量體重時(shí)，站在體重計(jì)上應(yīng)保持什么狀態(tài)？為什么要這樣？提示：測(cè)體重時(shí)應(yīng)保持靜止?fàn)顟B(tài)。因?yàn)轶w重計(jì)的示數(shù)實(shí)際是人對(duì)體重計(jì)壓力的大小，保持靜止?fàn)顟B(tài)，人對(duì)體重計(jì)的壓力大小等于人的重力。超重失重完全失重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象視重大于實(shí)際重力視重小于實(shí)際重力視重等于零受力情況受到的支持力(拉力)大于重力受到的支持力(拉力)小于重力受到的支持力(拉力)等于0運(yùn)動(dòng)情況加速度豎直向上或有豎直向上分量加速度豎直向下或有豎直向下分量加速度大小為g，方向豎直向下無(wú)論超重、失重還是完全失重，物體的重力沒(méi)有發(fā)生改變。總結(jié)：當(dāng)物體與彈簧測(cè)力計(jì)保持靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，視重等于實(shí)重；當(dāng)存在豎直方向的加速度時(shí)，視重不再等于實(shí)重。【典例】(2021·沈陽(yáng)高一檢測(cè))2020年1月29日，在意大利舉行的國(guó)際跳高邀請(qǐng)賽中，中國(guó)選手張國(guó)偉憑借2米27高度奪冠，贏得2020賽季開(kāi)門(mén)紅！若不計(jì)空氣阻力，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員跳高過(guò)程的分析，下列說(shuō)法正確的是()A.運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)地面對(duì)他的彈力大于他對(duì)地面的壓力B.運(yùn)動(dòng)員起跳后在空中上升過(guò)程中處于失重狀態(tài)C．運(yùn)動(dòng)員躍桿后在空中下降過(guò)程中處于超重狀態(tài)D．運(yùn)動(dòng)員落到軟墊后一直做減速運(yùn)動(dòng)【解析】選B。運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)地面對(duì)他的彈力與他對(duì)地面的壓力是一對(duì)作用力與反作用力，大小相等，故A錯(cuò)誤；運(yùn)動(dòng)員起跳后在空中上升過(guò)程中，加速度的方向向下，處于失重狀態(tài)，故B正確；運(yùn)動(dòng)員躍桿后在空中下降過(guò)程中，他只受到重力的作用，加速度的方向向下，處于失重狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；運(yùn)動(dòng)員落到軟墊后，軟墊對(duì)他的作用力先是小于重力，所以他仍然要做短暫的加速運(yùn)動(dòng)，之后才會(huì)減速，故D錯(cuò)誤。1．如圖所示，體重為G的某同學(xué)站在體重計(jì)上向下蹲，在下蹲的過(guò)程中，體重計(jì)的示數(shù)F發(fā)生變化，則在一次完整的下蹲過(guò)程中，下列關(guān)于體重計(jì)的示數(shù)隨時(shí)間變化的圖像可能正確的是()【解析】選D。對(duì)人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知，人下蹲的過(guò)程可以分成兩段：人在加速下蹲的過(guò)程中，有向下的加速度，處于失重狀態(tài)，此時(shí)人對(duì)體重計(jì)的壓力小于人的重力的大??；在減速下蹲的過(guò)程中，加速度方向向上，處于超重狀態(tài)，此時(shí)人對(duì)體重計(jì)的壓力大于人的重力大小；故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。2.如圖，垂直電梯里有一個(gè)“轎廂”和一個(gè)“對(duì)重”，它們通過(guò)鋼絲繩連接起來(lái)，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)鋼絲繩使“轎廂”和“對(duì)重”在豎直方向做上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)“轎廂”向上做勻減速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)()A．電梯的“對(duì)重”處于失重狀態(tài)B．電梯的“對(duì)重”向下勻加速運(yùn)動(dòng)C．鋼絲繩的拉力等于“轎廂”的重力D．鋼絲繩的拉力小于“轎廂”的重力【解析】選D。當(dāng)“轎廂”向上做勻減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，“轎廂”加速度向下，處于失重狀態(tài)，“對(duì)重”向下做勻減速運(yùn)動(dòng)，加速度向上，處于超重狀態(tài)，“轎廂”失重，所以鋼絲繩受到的拉力小于“轎廂”的重力，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤?！疽?guī)律方法】判斷超重、失重狀態(tài)的方法物體究竟處于超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)，可用三個(gè)方法判斷：(1)從受力的角度判斷：當(dāng)物體所受向上的拉力(或支持力)大于重力時(shí)處于超重狀態(tài)，小于重力時(shí)處于失重狀態(tài)，等于零時(shí)處于完全失重狀態(tài)。(2)從加速度的角度判斷：當(dāng)物體具有向上的加速度時(shí)處于超重狀態(tài)，具有向下的加速度時(shí)處于失重狀態(tài)，向下的加速度為g時(shí)處于完全失重狀態(tài)。(3)從運(yùn)動(dòng)的角度判斷：當(dāng)物體加速上升或減速下降時(shí)處于超重狀態(tài)，當(dāng)物體加速下降或減速上升時(shí)處于失重狀態(tài)，當(dāng)物體做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)完全失重。【拔高題組】1．(多選)有一種大型娛樂(lè)器械可以讓人體驗(yàn)超重和失重，其環(huán)形座艙套在豎直柱子上(如圖所示)，由升降機(jī)送上幾十米的高處，然后讓座艙自由下落。落到一定位置時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)，座艙做減速運(yùn)動(dòng)，到地面時(shí)剛好停下。下列說(shuō)法正確的是()A．座艙自由下落的過(guò)程中人處于超重狀態(tài)B．座艙自由下落的過(guò)程中人處于失重狀態(tài)C．座艙減速下落的過(guò)程中人處于超重狀態(tài)D．座艙下落的整個(gè)過(guò)程中人處于失重狀態(tài)【解析】選B、C。在自由下落的過(guò)程中人只受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)，處于失重狀態(tài)，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；在減速下落的過(guò)程中人受重力和座位對(duì)人向上的支持力，做減速運(yùn)動(dòng)，所以加速度方向向上，人處于超重狀態(tài)，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。2．如圖，跳高運(yùn)動(dòng)員起跳后向上運(yùn)動(dòng)，越過(guò)橫桿后開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，則運(yùn)動(dòng)員越過(guò)橫桿前、后在空中所處的狀態(tài)分別為()A．失重、失重 B．超重、超重C．失重、超重 D．超重、失重【解析】選A。運(yùn)動(dòng)員在空中的過(guò)程中，加速度總是等于豎直向下的重力加速度g，則運(yùn)動(dòng)員越過(guò)橫桿前、后在空中所處的狀態(tài)都是完全失重狀態(tài)，故A正確，B、C、D錯(cuò)誤。二、超重和失重現(xiàn)象的比較和應(yīng)用(科學(xué)思維——科學(xué)推理)觀看我國(guó)航天員太空授課的視頻，你會(huì)發(fā)現(xiàn)好多有趣的現(xiàn)象：懸浮于空中的圓形水球、不再擺動(dòng)的單擺、飄來(lái)飄去的航天員等，這些現(xiàn)象是我們地球上無(wú)法體驗(yàn)的，你知道這是為什么嗎？提示：太空中的物體處于完全失重狀態(tài)，由重力產(chǎn)生的所有物理現(xiàn)象都消失。比較項(xiàng)目加速度視重(F)與重力關(guān)系運(yùn)動(dòng)情況受力圖平衡a＝0F＝mg靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)超重向上F＝m(g＋a)>mg向上加速，向下減速失重向下F＝m(g－a)<mg(a<g)向下加速，向上減速完全失重a＝gF＝0自由落體運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、沿圓軌道運(yùn)行的衛(wèi)星在完全失重狀態(tài)下，平常由重力產(chǎn)生的一切物理現(xiàn)象都會(huì)消失。【典例】有一根鋼絲的最大拉力為100N，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電梯中，這根鋼絲下懸掛了20kg的物體恰好沒(méi)有斷，問(wèn)電梯可能做怎樣的運(yùn)動(dòng)？(取g＝10m/s2)【解題探究】(1)重力大于鋼絲的最大拉力，物體處于超重還是失重狀態(tài)？提示：失重狀態(tài)。(2)這種狀態(tài)下具有哪個(gè)方向的加速度？提示：具有向下的加速度。【解析】鋼絲的拉力恰為100N，物體一定處于失重狀態(tài)，所以電梯具有向下的加速度。對(duì)物體由牛頓第二定律得：F合＝mg－F＝ma，解得：a＝5m/s2。電梯的運(yùn)動(dòng)情況有兩種可能，一是以5m/s2的加速度向下勻加速運(yùn)動(dòng)，二是以5m/s2的加速度向上勻減速運(yùn)動(dòng)。答案：見(jiàn)解析一個(gè)質(zhì)量50kg的人站在升降機(jī)的地板上，升降機(jī)的頂部懸掛了一只彈簧測(cè)力計(jì)，彈簧測(cè)力計(jì)下面掛著一個(gè)質(zhì)量mA＝5kg的物體A，當(dāng)升降機(jī)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，人看到彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為40N，如圖所示，g取10m/s2，求此時(shí)人對(duì)地板的壓力。【解析】依題意可知，彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)為40N，而物體A的重力G＝mAg＝50N，顯然彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)小于物體的重力，即視重小于實(shí)重，物體A處于失重狀態(tài)。由于人和物體A以及升降機(jī)三者具有相同的加速度，因此人也處于失重狀態(tài)。以物體A為研究對(duì)象，受力分析如圖甲所示。由牛頓第二定律得mAg－T＝mAa所以a＝eq\f(mAg－T,mA)＝eq\f(5×10－40,5)m/s2＝2m/s2，方向向下，人的受力如圖乙所示。由牛頓第二定律得Mg－N＝Ma，所以N＝Mg－Ma＝400N由牛頓第三定律可得，人對(duì)地板的壓力為400N，方向向下。答案：400N，方向向下【拔高題組】1．(多選)在軌道上運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星中，下列哪些儀器能夠使用()A．天平B．彈簧測(cè)力計(jì)C．水銀溫度計(jì)D．水銀氣壓計(jì)【解析】選B、C。在軌道上運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星中的物體處于失重狀態(tài)，凡是工作原理與重力有關(guān)的儀器在衛(wèi)星中均不能正常使用，凡是與重力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，在衛(wèi)星中都無(wú)法進(jìn)行，故A、D不能使用。B、C與重力無(wú)關(guān)，可以使用。2.質(zhì)量是60kg的人站在升降機(jī)中的體重計(jì)上，如圖所示。重力加速度g取10m/s2，當(dāng)升降機(jī)做下列各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，求體重計(jì)的示數(shù)。(1)勻速上升。(2)以4m/s2的加速度加速上升。(3)以5m/s2的加速度加速下降?！窘馕觥?1)勻速上升時(shí)，由平衡條件得：FN1＝mg＝600N由牛頓第三定律得：人對(duì)體重計(jì)壓力為600N，即體重計(jì)示數(shù)為600N。(2)以a1＝4m/s2的加速度加速上升時(shí)，由牛頓第二定律得：FN2－mg＝ma1，F(xiàn)N2＝mg＋ma1＝840N由牛頓第三定律得：人對(duì)體重計(jì)壓力為840N，即體重計(jì)示數(shù)為840N。(3)以a2＝5m/s2的加速度加速下降時(shí)，由牛頓第二定律得：mg－FN3＝ma2，F(xiàn)N3＝mg－ma2＝300N由牛頓第三定律得：人對(duì)體重計(jì)壓力為300N，即體重計(jì)示數(shù)為300N。答案：(1)600N(2)840N(3)300N【拓展例題】考查內(nèi)容：超重、失重狀態(tài)下的浮力問(wèn)題【典例】如圖所示，兩臺(tái)秤上各放裝有水的容器甲和乙，水中各有一小球通過(guò)細(xì)線分別牽拉在容器的底部和懸掛在容器的蓋板上靜止不動(dòng)，此時(shí)兩臺(tái)秤的示數(shù)分別為N甲和N乙。當(dāng)細(xì)線斷開(kāi)后，甲容器內(nèi)小球上浮，乙容器內(nèi)小球下沉，設(shè)兩小球分別上浮和下沉的過(guò)程中，兩臺(tái)秤的示數(shù)分別為N′甲和N′乙，則()A.N′甲>N甲，N′乙>N乙 B．N′甲<N甲，N′乙<N乙C．N′甲<N甲，N′乙>N乙 D．N′甲>N甲，N′乙<N乙【解析】選B。由于甲中小球上升，把與小球同體積的水設(shè)為一個(gè)“水球”，“水球”必然下降，小球處于超重狀態(tài)，“水球”處于失重狀態(tài)，小球和“水球”的加速度大小相等，小球超重部分為m球a，“水球”失重部分為m水a(chǎn)。由于m水>m球，故整體處于失重狀態(tài)，臺(tái)秤示數(shù)減小量為ΔF＝m水a(chǎn)－m球a＝(m水－m球)a，故N′甲<N甲。同理，乙中小球下降，“水球”上升，二者加速度大小相等，小球失重部分為m球a，“水球”超重部分為m水a(chǎn)。由于m球>m水，故整體失重，乙臺(tái)秤示數(shù)減少量為ΔF＝m球a－m水a(chǎn)＝(m球－m水)a，故N′乙<N乙。選項(xiàng)B正確。天問(wèn)一號(hào)中國(guó)火星探測(cè)器是中國(guó)研發(fā)的火星探測(cè)器，旨在探測(cè)火星的形貌、土壤、環(huán)境、大氣，研究火星上的水冰分布、物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。天問(wèn)一號(hào)是中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)名稱，該名稱源于屈原長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》，表達(dá)了中華民族對(duì)真理追求的堅(jiān)韌與執(zhí)著，體現(xiàn)了對(duì)自然和宇宙空間探索的文化傳承，寓意探求科學(xué)真理征途漫漫，追求科技創(chuàng)新永無(wú)止境。2020年4月24日，中國(guó)行星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)(Tianwen)系列”，首次火星探測(cè)任務(wù)被命名為“天問(wèn)一號(hào)”，后續(xù)行星任務(wù)依次編號(hào)?；鹦蔷嚯x地球最遠(yuǎn)達(dá)4億公里，中國(guó)的火星探測(cè)器在器箭分離后，經(jīng)過(guò)約7個(gè)月巡航飛行被火星引力捕獲。此后環(huán)繞器環(huán)繞火星飛行，并與著陸巡視器分離，然后進(jìn)入任務(wù)使命軌道，開(kāi)展對(duì)火星環(huán)繞探測(cè)，同時(shí)為著陸巡視器開(kāi)展中繼通訊。中國(guó)首次火星著陸的地點(diǎn)將會(huì)是火星低緯地帶，也就是靠近火星赤道的某片區(qū)域，但現(xiàn)在精確的位置還無(wú)法確定。著陸器在火星表面軟著陸時(shí)存在非常多的不確定性，也是任務(wù)的重大難點(diǎn)之一。執(zhí)行首次火星任務(wù)的探測(cè)器一共會(huì)攜帶13臺(tái)(套)科學(xué)載荷，比如執(zhí)行火星全球探測(cè)的各類(lèi)遙感相機(jī)和淺層地表雷達(dá)。相比重量為140公斤的中國(guó)首臺(tái)月球車(chē)“玉兔”，首臺(tái)火星巡視器的重量約為200公斤，可以工作92個(gè)地球日。著陸器在火星表面軟著陸過(guò)程中，著陸器處于失重還是超重？提示：著陸器軟著陸過(guò)程中，著陸器向下減速運(yùn)動(dòng)，加速度向上，著陸器處于超重狀態(tài)。1．(水平1)有關(guān)超重和失重的下列說(shuō)法正確的是()A．游泳運(yùn)動(dòng)員仰臥在水面靜止不動(dòng)時(shí)處于失重狀態(tài)B.蹦床運(yùn)動(dòng)員在空中上升和下落過(guò)程中都處于失重狀態(tài)C.舉重運(yùn)動(dòng)員在舉起杠鈴后不動(dòng)的那段時(shí)間內(nèi)處于超重狀態(tài)D．體操運(yùn)動(dòng)員雙手握住單杠吊在空中不動(dòng)時(shí)處于失重狀態(tài)【解析】選B。由超重、失重和完全失重的概念可知，在加速度向下時(shí)處于失重狀態(tài)，在加速度向上時(shí)處于超重狀態(tài)，而相對(duì)地面靜止不動(dòng)時(shí)既不超重也不失重。選項(xiàng)B正確。2．(水平1)一根豎直懸掛的繩子所能承受的最大拉力為FT，有一個(gè)體重為G的運(yùn)動(dòng)員要沿這根繩子從高處豎直滑下。若G>FT，要使下滑時(shí)繩子不斷，則運(yùn)動(dòng)員應(yīng)該()A．以較大的加速度加速下滑B．以較大的速度勻速下滑C．以較小的速度勻速下滑D．以較小的加速度減速下滑【解析】選A。下滑過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員受重力和摩擦力，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員加速下滑時(shí)，合力方向向下，也就是說(shuō)繩子給運(yùn)動(dòng)員的摩擦力小于重力，所以這時(shí)繩子承受較小的力，不容易被拉斷，故選項(xiàng)A正確。【補(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示，載人飛船發(fā)射，宇航員在火箭發(fā)射與飛船回收的過(guò)程中均要經(jīng)受超重與失重的考驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是()A．火箭加速上升時(shí)，宇航員處于超重狀態(tài)B．飛船落地前減速下落時(shí)，宇航員處于失重狀態(tài)C．火箭加速上升時(shí)，宇航員對(duì)座椅的壓力小于自身重力D．火箭加速上升過(guò)程中加速度逐漸減小時(shí)，宇航員處于失重狀態(tài)【解析】選A?；鸺铀偕仙龝r(shí)，加速度方向向上，宇航員處于超重狀態(tài)，宇航員對(duì)座椅的壓力大于自身重力，故A正確，C、D錯(cuò)誤；飛船落地前減速下落時(shí)，加速度向上，宇航員處于超重狀態(tài)，故B錯(cuò)誤。3．(水平2)2020年12月17日，嫦娥五號(hào)的返回艙采用“