高中物理課件：超重與失重

超重與失重了解超重和失重現(xiàn)象，以及它們背后的物理原理。什么是重力？地球吸引地球?qū)θ魏挝矬w都有吸引力，這種力就是重力。萬(wàn)有引力重力是萬(wàn)有引力的一種特殊形式，是由地球質(zhì)量引起的。方向指向地心重力的方向總是指向地心，無(wú)論物體處于何種位置。重力感受相關(guān)概念重力地球?qū)ξ矬w的吸引力。重力加速度物體由于重力作用而產(chǎn)生的加速度。超重與失重物體所受的支持力或拉力大于或小于重力的現(xiàn)象。做實(shí)驗(yàn)了解重力感受1自由落體當(dāng)物體不受任何外力作用時(shí)，它會(huì)以重力加速度向下加速，體驗(yàn)失重狀態(tài)。2向上加速當(dāng)物體向上加速時(shí)，它會(huì)感受到比重力更大的力，體驗(yàn)超重狀態(tài)。3向下加速當(dāng)物體向下加速時(shí)，它會(huì)感受到比重力更小的力，體驗(yàn)失重狀態(tài)。什么是重力加速度？自由落體運(yùn)動(dòng)當(dāng)物體只受重力作用時(shí)，物體將做自由落體運(yùn)動(dòng)。加速度自由落體運(yùn)動(dòng)中，物體速度均勻增加，速度變化量與時(shí)間成正比，這就是重力加速度。了解重力加速度的特點(diǎn)方向重力加速度的方向始終指向地心，與重力的方向一致。大小重力加速度的大小在地球上不同地點(diǎn)略有差異，通常取值為9.8m/s2。影響重力加速度的大小受地球自轉(zhuǎn)的影響，赤道處的重力加速度略小于兩極。重力加速度的數(shù)值9.8地球表面約為9.8米每平方秒1.6月球表面約為1.6米每平方秒如何測(cè)量重力加速度自由落體法利用自由落體運(yùn)動(dòng)的公式，通過測(cè)量物體下落的高度和時(shí)間，計(jì)算出重力加速度。單擺法利用單擺的周期公式，通過測(cè)量擺長(zhǎng)和周期，計(jì)算出重力加速度。其他方法還有其他方法，例如利用氣壓計(jì)或加速度計(jì)測(cè)量重力加速度。定義超重與失重超重：物體所受支持力或拉力大于物體重力時(shí)，我們就說物體處于超重狀態(tài)。失重：物體所受支持力或拉力小于物體重力時(shí)，我們就說物體處于失重狀態(tài)。舉例說明超重和失重當(dāng)電梯加速上升時(shí)，人對(duì)電梯底部的壓力大于自身重力，這就是超重現(xiàn)象。當(dāng)電梯加速下降時(shí)，人對(duì)電梯底部的壓力小于自身重力，這就是失重現(xiàn)象。在失重狀態(tài)下，人會(huì)感覺輕飄飄的，甚至?xí)∑饋?lái)。在乘坐過山車時(shí)，當(dāng)過山車加速上升或向下俯沖時(shí)，人會(huì)感受到超重或失重。當(dāng)過山車高速行駛過彎道時(shí)，人會(huì)感受到向心加速度產(chǎn)生的超重。航天員在太空中，由于失去了地球引力的作用，會(huì)處于失重狀態(tài)。超重與失重的判斷條件超重物體實(shí)際受到的重力大于其自身的重力，表現(xiàn)為物體對(duì)支持物的壓力大于物體的重力。失重物體實(shí)際受到的重力小于其自身的重力，表現(xiàn)為物體對(duì)支持物的壓力小于物體的重力。航天器中的超重與失重航天器在發(fā)射升空和返回地面過程中，會(huì)經(jīng)歷超重和失重狀態(tài)。發(fā)射升空時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力大于航天器的重力，航天器加速上升，此時(shí)航天器內(nèi)物體受到的合力大于重力，處于超重狀態(tài)。返回地面時(shí)，航天器減速下降，此時(shí)航天器內(nèi)物體受到的合力小于重力，處于失重狀態(tài)。載人航天體驗(yàn)的超重與失重發(fā)射階段航天器加速上升，宇航員會(huì)感受到明顯的超重，感覺身體被壓向座椅。軌道運(yùn)行階段航天器處于失重狀態(tài)，宇航員會(huì)漂浮在艙內(nèi)，感覺身體輕飄飄的。返回階段航天器減速下降，宇航員會(huì)感受到短暫的超重，類似于過山車急速下降的感覺。過山車中的超重與失重在過山車運(yùn)行過程中，乘客會(huì)經(jīng)歷超重和失重的感覺。當(dāng)過山車快速向上爬升時(shí)，乘客會(huì)感到超重，因?yàn)榇藭r(shí)乘客的加速度方向向上，與重力方向相反，合力大于重力。當(dāng)過山車快速向下俯沖時(shí)，乘客會(huì)感到失重，因?yàn)榇藭r(shí)乘客的加速度方向向下，與重力方向相同，合力小于重力。過山車設(shè)計(jì)對(duì)超重的考慮速度設(shè)計(jì)過山車速度設(shè)計(jì)需考慮乘客安全。過山車運(yùn)行過程中，速度過快會(huì)導(dǎo)致乘客超重。因此，速度設(shè)計(jì)需與軌道結(jié)構(gòu)、安全標(biāo)準(zhǔn)相匹配。軌道設(shè)計(jì)過山車軌道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮乘客舒適度，并避免乘客在劇烈顛簸中出現(xiàn)超重或失重。軌道形狀應(yīng)盡量平滑，減少過大的加速度變化。電梯中的超重與失重電梯加速上升時(shí)，人對(duì)電梯底部的壓力大于人的重力，人處于超重狀態(tài)。電梯加速下降時(shí)，人對(duì)電梯底部的壓力小于人的重力，人處于失重狀態(tài)。電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，人處于平衡狀態(tài)，此時(shí)人對(duì)電梯底部的壓力等于人的重力。電梯設(shè)計(jì)對(duì)超重的考慮1承載能力電梯的設(shè)計(jì)要考慮超重情況，確保其能夠承受超過額定載荷的重量。2安全系數(shù)電梯的鋼纜、制動(dòng)系統(tǒng)等部件需要有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)，以應(yīng)對(duì)超重情況下的負(fù)荷。3減震措施電梯的減震系統(tǒng)可以有效地減少超重情況下的震動(dòng)，提高乘坐舒適度。拋物線運(yùn)動(dòng)中的超重與失重過山車示例過山車在軌道上運(yùn)行時(shí)，會(huì)經(jīng)歷超重和失重的狀態(tài)。當(dāng)過山車加速上升時(shí)，乘客會(huì)感受到超重，而當(dāng)過山車減速下降時(shí)，乘客會(huì)感受到失重。跳傘示例跳傘運(yùn)動(dòng)員在跳傘過程中，也會(huì)經(jīng)歷超重和失重的狀態(tài)。當(dāng)跳傘運(yùn)動(dòng)員從飛機(jī)上跳下來(lái)時(shí)，會(huì)經(jīng)歷超重，而當(dāng)跳傘運(yùn)動(dòng)員打開降落傘后，會(huì)經(jīng)歷失重。自由落體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)加速度自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度等于重力加速度，為常數(shù)。方向自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度方向始終豎直向下。速度自由落體運(yùn)動(dòng)的速度不斷增大，方向始終豎直向下。自由落體運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例自由落體運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用非常廣泛，例如：-計(jì)算物體下落時(shí)間-確定物體下落距離-預(yù)測(cè)物體下落速度-設(shè)計(jì)跳傘運(yùn)動(dòng)-研究物體在空氣中的運(yùn)動(dòng)重力場(chǎng)中的力重力物體在重力場(chǎng)中受到的力，方向指向地心。支持力物體受到的支撐面或懸掛繩索對(duì)物體的支持力，方向垂直于接觸面。摩擦力物體在接觸面上發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，接觸面之間產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力。法向受力產(chǎn)生的壓力法向力作用在物體表面上的力，垂直于物體表面。壓力法向力在物體表面上的分布程度，即單位面積上的法向力大小。壓強(qiáng)壓力與物體表面積之比，表示單位面積上所受的壓力大小。切向受力產(chǎn)生的切應(yīng)力切向力切向力是指作用在物體表面，與物體表面相切的力。例如，當(dāng)我們用手推一個(gè)箱子時(shí)，我們施加的力就是切向力。切應(yīng)力切應(yīng)力是指切向力作用在物體表面上的單位面積上的力。切應(yīng)力的大小與切向力的方向有關(guān)，如果切向力垂直于表面，則切應(yīng)力為零。重力對(duì)人體的影響骨骼重力作用下，骨骼承受著巨大的壓力，從而變得更加堅(jiān)固。肌肉肌肉需要克服重力，才能保持身體平衡和運(yùn)動(dòng)，鍛煉肌肉。循環(huán)系統(tǒng)重力影響血液循環(huán)，心臟需要克服重力將血液輸送到頭部。重力病理的診斷和預(yù)防影像檢查通過X光、CT等影像檢查，可以觀察骨骼、關(guān)節(jié)的形態(tài)和結(jié)構(gòu)變化，判斷是否出現(xiàn)重力病理。體格檢查醫(yī)生會(huì)進(jìn)行體格檢查，包括血壓、心率、呼吸等，了解患者的身體狀況，判斷是否出現(xiàn)重力病理。功能評(píng)估醫(yī)生會(huì)評(píng)估患者的運(yùn)動(dòng)功能，例如行走、跳躍、平衡等，判斷是否出現(xiàn)重力病理。無(wú)重狀態(tài)下生理的適應(yīng)1骨骼密度下降長(zhǎng)時(shí)間無(wú)重力環(huán)境會(huì)導(dǎo)致骨骼礦物質(zhì)流失，骨密度下降，容易骨折。2肌肉萎縮由于缺乏重力負(fù)荷，肌肉會(huì)逐漸萎縮，力量下降，影響運(yùn)動(dòng)能力。3循環(huán)系統(tǒng)改變血液重新分配，心臟負(fù)荷減輕，血壓下降，容易發(fā)生體位性低血壓。4免疫功能下降長(zhǎng)時(shí)間無(wú)重力環(huán)境會(huì)影響免疫系統(tǒng)功能，更容易感染疾病。微重力環(huán)境的應(yīng)用前景太空制造微重力環(huán)境有利于材料的均勻混合和晶體的生長(zhǎng)，可以制造出在地球上無(wú)法獲得的特殊材料?？茖W(xué)研究微重力環(huán)境可以幫助科學(xué)家研究物質(zhì)在失重狀態(tài)下的特性，以及人類在太空環(huán)境中的適應(yīng)性。地球觀測(cè)太空中的衛(wèi)星可以更全面地觀測(cè)地球，例如監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害、環(huán)境變化等。人類探索無(wú)重狀態(tài)的歷程120世紀(jì)初科學(xué)家開始提出無(wú)重狀態(tài)的概念，并進(jìn)行相關(guān)理論研究。220世紀(jì)50年代隨著火箭和衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步，人類首次進(jìn)入太空，開始了對(duì)無(wú)重狀態(tài)的探索。320世紀(jì)60-70年代載人航天技術(shù)取得突破，人類首次在太空中長(zhǎng)期停留，進(jìn)