6.超重和失重1認(rèn)識(shí)超重現(xiàn)象，理解產(chǎn)生超重現(xiàn)象的條件和實(shí)質(zhì)。2認(rèn)識(shí)失重現(xiàn)象，理解產(chǎn)生失重現(xiàn)象的條件和實(shí)質(zhì)。3能用超重、失重的觀點(diǎn)分析支持力或拉力的大小。4了解常見的超重、失重現(xiàn)象。一、重力的測(cè)量1重力：在地球表面附近，物體由于地球的吸引而受到的力。2重力的測(cè)量方法(1)公式法：先測(cè)量物體做自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度g，再用天平測(cè)量物體的質(zhì)量，根據(jù)Gmg算出重力大小。(2)平衡條件法：將待測(cè)物體懸掛或放置在測(cè)力計(jì)上，使它處于靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)物體所受的重力和測(cè)力計(jì)對(duì)物體的拉力或支持力的大小相等。這是測(cè)量重力最常用的方法。二、超重和失重人站在體重計(jì)上向下蹲的過(guò)程中，體重計(jì)的示數(shù)會(huì)變化。體重計(jì)的示數(shù)稱為視重，反映了人對(duì)體重計(jì)的壓力。1超重(1)定義：物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?大于物體所受重力的現(xiàn)象。(2)產(chǎn)生條件：物體具有向上的加速度。2失重(1)定義：物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?小于物體所受重力的現(xiàn)象。(2)產(chǎn)生條件：物體具有向下的加速度。(3)完全失重定義：物體對(duì)支持物(或懸掛物)完全沒有作用力的現(xiàn)象。產(chǎn)生條件：ag，方向豎直向下。判一判(1)在地球表面附近，無(wú)論物體處于什么狀態(tài)，物體對(duì)懸繩的拉力都與重力大小相等。()(2)在水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)的火車中，可以用彈簧秤測(cè)量物體的重力大小。()(3)物體處于超重狀態(tài)時(shí)重力增大了。()(4)物體處于失重狀態(tài)時(shí)重力減小了。()(5)物體處于超重或失重狀態(tài)時(shí)，物體的重力始終存在，大小也沒有變化。()(6)做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體處于完全失重狀態(tài)。()提示：(1)×(2)(3)×(4)×(5)(6)想一想向上運(yùn)動(dòng)就是超重狀態(tài)，向下運(yùn)動(dòng)就是失重狀態(tài)，這種說(shuō)法正確嗎？提示：這種說(shuō)法不正確。超重、失重現(xiàn)象的產(chǎn)生條件不是速度的方向向上或向下，而是加速度的方向向上或向下。加速度向上時(shí)，物體可能向上加速運(yùn)動(dòng)，也可能向下減速運(yùn)動(dòng)；加速度向下時(shí)，物體可能向下加速運(yùn)動(dòng)，也可能向上減速運(yùn)動(dòng)。所以判斷超重、失重現(xiàn)象要看加速度的方向，加速度向上時(shí)超重，加速度向下時(shí)失重。課堂任務(wù)對(duì)超重和失重的理解仔細(xì)觀察下列圖片，認(rèn)真參與“師生互動(dòng)”。站在體重計(jì)上向下蹲，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在下蹲的過(guò)程中，體重計(jì)的示數(shù)先變小，后變大，再變小。當(dāng)人靜止后，體重計(jì)的示數(shù)保持某一值不變，這是為什么？活動(dòng)1：如圖所示，體重計(jì)的示數(shù)稱為視重，試用牛頓第二定律分析視重為什么會(huì)這樣變化？提示：體重計(jì)的示數(shù)反映了人對(duì)體重計(jì)的壓力，根據(jù)牛頓第三定律，人對(duì)體重計(jì)的壓力與體重計(jì)對(duì)人的支持力FN大小相等，方向相反。人在下蹲時(shí)受到重力G和體重計(jì)的支持力FN，這兩個(gè)力的共同作用使人在下蹲的過(guò)程中，先后經(jīng)歷加速、減速和靜止三個(gè)階段。以向下為正方向，由牛頓第二定律對(duì)這三個(gè)過(guò)程分別列式：mgFN1ma1，mgFN2ma2，mgFN30，解得FN1m(ga1)<mg，F(xiàn)N2m(ga2)>mg，F(xiàn)N3mg?；顒?dòng)2：視重小于人的重力叫失重，視重大于人的重力叫超重。試分析人在體重計(jì)上站起過(guò)程中的超重和失重情況。提示：人站起的過(guò)程中，先加速后減速。以向上為正方向，由牛頓第二定律，有FN1mgma1，F(xiàn)N2mgma2，解得FN1m(ga1)>mg，F(xiàn)N2m(ga2)<mg，即人開始超重，后來(lái)失重。活動(dòng)3：站在電梯里的體重計(jì)上，感受電梯啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)過(guò)程中的超重和失重現(xiàn)象并總結(jié)。如果電梯自由下落，人會(huì)有什么感覺？提示：電梯勻速運(yùn)行時(shí)，人既不超重也不失重；電梯向上加速啟動(dòng)時(shí)人超重，電梯向上減速制動(dòng)時(shí)人失重；電梯向下加速啟動(dòng)時(shí)人失重，電梯向下減速制動(dòng)時(shí)人超重。如果電梯自由下落，人只受重力作用，不受電梯的支持力，體重計(jì)示數(shù)為0，人將感覺不到重力?；顒?dòng)4：討論、交流、展示，得出結(jié)論。1超重、失重現(xiàn)象的分析2對(duì)超重和失重的理解(1)超重與失重現(xiàn)象僅僅是一種表象，無(wú)論是超重還是失重，物體所受的重力都沒有變化。(2)物體處于超重還是失重狀態(tài)，只取決于加速度的方向，與物體的運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)。(3)加速度的大小決定了超重或失重的程度。視重相對(duì)重力的改變量為ma，a為物體豎直方向的加速度。(4)完全失重是失重現(xiàn)象的極限。完全失重時(shí)，與重力有關(guān)的一切現(xiàn)象都將消失。(5)若物體不在豎直方向運(yùn)動(dòng)，而加速度在豎直方向有分量，即ay0，則當(dāng)ay豎直向上時(shí)物體處于超重狀態(tài)，當(dāng)ay豎直向下時(shí)物體處于失重狀態(tài)。例質(zhì)量為60 kg的人站在升降機(jī)中的體重計(jì)上，當(dāng)升降機(jī)做下列各種運(yùn)動(dòng)時(shí)，體重計(jì)的讀數(shù)是多少？人處于什么狀態(tài)？(g取10 m/s2)(1)升降機(jī)勻速上升；(2)升降機(jī)以3 m/s2的加速度加速上升；(3)升降機(jī)以4 m/s2的加速度加速下降。(1)如何求體重計(jì)的讀數(shù)？提示：體重計(jì)的讀數(shù)實(shí)質(zhì)是人對(duì)體重計(jì)的壓力大小，求出體重計(jì)對(duì)人的支持力，根據(jù)牛頓第三定律即可得出體重計(jì)的讀數(shù)。(2)如何求出體重計(jì)對(duì)人的支持力？提示：根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合加速度的方向列式Fmgma或mgFma，即可求出F。規(guī)范解答人站在升降機(jī)中的體重計(jì)上，受力情況如圖所示。(1)當(dāng)升降機(jī)勻速上升時(shí)，由牛頓第二定律得F合FNG0，所以人受到的支持力FNGmg600 N，根據(jù)牛頓第三定律得人對(duì)體重計(jì)的壓力大小為600 N，即體重計(jì)的讀數(shù)為600 N，人處于平衡狀態(tài)。(2)當(dāng)升降機(jī)以3 m/s2的加速度加速上升時(shí)，由牛頓第二定律得FNGma，F(xiàn)NmaGm(ga)780 N，由牛頓第三定律得，此時(shí)體重計(jì)的讀數(shù)為780 N，大于人的重力，人處于超重狀態(tài)。(3)當(dāng)升降機(jī)以4 m/s2的加速度加速下降時(shí)，由牛頓第二定律得GFNma，F(xiàn)NGmam(ga)360 N，由牛頓第三定律得，此時(shí)體重計(jì)的讀數(shù)為360 N，小于人的重力，人處于失重狀態(tài)。完美答案(1)600 N平衡狀態(tài)(2)780 N超重狀態(tài)(3)360 N失重狀態(tài)超重和失重問題的解題步驟(1)確定研究對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，畫出受力示意圖；(2)分析物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定加速度的方向，并在受力示意圖旁邊標(biāo)出；(3)選取加速度的方向?yàn)檎较颍鶕?jù)牛頓第二定律列方程；(4)解方程，得到物體所受懸掛物的拉力或支持面的支持力；(5)由牛頓第三定律，判定物體對(duì)懸掛物的拉力或?qū)χС置娴膲毫εc物體重力的關(guān)系，從而判定物體處于超重還是失重狀態(tài)。圖甲是某人站在力傳感器上做下蹲、起跳動(dòng)作時(shí)的示意圖，中間的“·”表示人的重心，圖乙是根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)畫出的力時(shí)間圖線，兩圖中ag各點(diǎn)均對(duì)應(yīng)，其中有幾個(gè)點(diǎn)在圖甲中沒有畫出，取重力加速度g10 m/s2。根據(jù)圖像分析可知()A人的重力為1500 NBc點(diǎn)位置人處于超重狀態(tài) Ce點(diǎn)位置人處于失重狀態(tài) D人在d點(diǎn)位置的加速度小于在f點(diǎn)的加速度答案B解析開始時(shí)人處于平衡狀態(tài)，人對(duì)傳感器的壓力是500 N，根據(jù)牛頓第三定律和平衡條件可知，人的重力也是500 N，A錯(cuò)誤；由圖乙可知，人處于c點(diǎn)時(shí)對(duì)傳感器的壓力大于其重力，處于超重狀態(tài)，B正確；人處于e點(diǎn)時(shí)對(duì)傳感器的壓力大于其重力，處于超重狀態(tài)，C錯(cuò)誤；人在d點(diǎn)時(shí)的加速度大小為a1 m/s220 m/s2，人在f點(diǎn)時(shí)的加速度大小為a2 m/s210 m/s2，a1a2，則人在d點(diǎn)位置的加速度大于在f點(diǎn)的加速度，D錯(cuò)誤。A組：合格性水平訓(xùn)練1.(超重、失重)下列關(guān)于超重、失重現(xiàn)象的描述中，正確的是()A電梯正在減速上升，人在電梯中處于超重狀態(tài)B電梯正在加速下降，人在電梯中處于失重狀態(tài)C舉重運(yùn)動(dòng)員托舉杠鈴保持靜止，運(yùn)動(dòng)員處于超重狀態(tài)D列車在水平軌道上加速行駛，車上的人處于超重狀態(tài)答案B解析電梯正在減速上升，加速度向下，故電梯中的乘客處于失重狀態(tài)，A錯(cuò)誤；電梯正在加速下降，加速度向下，故電梯中的乘客處于失重狀態(tài)，B正確；舉重運(yùn)動(dòng)員托舉杠鈴保持靜止，豎直方向的加速度為0，運(yùn)動(dòng)員既不處于超重狀態(tài)也不處于失重狀態(tài)，C錯(cuò)誤；列車在水平軌道上加速行駛時(shí)，豎直方向的加速度為0，車上的人既不處于超重狀態(tài)也不處于失重狀態(tài)，D錯(cuò)誤。2(超重、失重)(多選)如圖所示，小敏正在做雙腳跳臺(tái)階的健身運(yùn)動(dòng)。若忽略空氣阻力，小敏起跳后，下列說(shuō)法正確的是()A上升過(guò)程處于超重狀態(tài)B下降過(guò)程處于超重狀態(tài)C上升過(guò)程處于失重狀態(tài)D下降過(guò)程處于失重狀態(tài)答案CD解析若忽略空氣阻力，小敏起跳后，在空中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中只受重力，加速度就是重力加速度。故小敏起跳后，上升過(guò)程與下降過(guò)程均處于失重狀態(tài)，C、D正確。3(超重、失重)如圖所示，A、B兩人用安全帶連接在一起，從飛機(jī)上跳下進(jìn)行雙人跳傘運(yùn)動(dòng)，降落傘未打開時(shí)不計(jì)空氣阻力。下列說(shuō)法正確的是()A在降落傘未打開的下降過(guò)程中，安全帶的作用力一定為零B在降落傘未打開的下降過(guò)程中，安全帶的作用力大于B的重力C在降落傘未打開的下降過(guò)程中，安全帶的作用力等于B的重力D在降落傘打開后減速下降過(guò)程中，安全帶的作用力小于B的重力答案A解析在降落傘未打開的下降過(guò)程中，A、B兩人一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，處于完全失重狀態(tài)，A、B之間安全帶的作用力為零，A正確，B、C錯(cuò)誤；在降落傘打開后減速下降過(guò)程中，加速度向上，則A、B處于超重狀態(tài)，故安全帶對(duì)B的拉力大于B的重力，D錯(cuò)誤。4(超重、失重)箱式電梯里的臺(tái)秤秤盤上放著一物體，在電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，某人在不同時(shí)刻拍下了甲、乙、丙三張照片，如圖所示，乙圖為電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的照片。從這三張照片可判定()A拍攝甲照片時(shí)，電梯一定處于加速下降狀態(tài) B拍攝丙照片時(shí)，電梯可能處于減速上升狀態(tài) C拍攝丙照片時(shí)，電梯一定處于加速上升狀態(tài) D拍攝甲照片時(shí)，電梯可能處于勻速下降狀態(tài)答案B解析由于乙圖是電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的照片，由照片可以看出此時(shí)物體的真實(shí)重量。甲圖的臺(tái)秤的示數(shù)大于物體的重量，物體處于超重狀態(tài)，電梯可能處于減速下降狀態(tài)或加速上升狀態(tài)，A、D錯(cuò)誤；丙圖的臺(tái)秤的示數(shù)小于物體的重量，物體處于失重狀態(tài)，此時(shí)電梯有向下的加速度，電梯可能做向下的加速運(yùn)動(dòng)或者做向上的減速運(yùn)動(dòng)，B正確，C錯(cuò)誤。5(超重、失重)如圖所示，質(zhì)量為m的小球掛在電梯的天花板上，電梯在以大小為的加速度向下加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，小球()A處于失重狀態(tài)，所受拉力為B處于失重狀態(tài)，所受拉力為C處于超重狀態(tài)，所受拉力為D處于超重狀態(tài)，所受拉力為答案B解析小球與電梯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，小球的加速度的方向向下，處于失重狀態(tài)。對(duì)小球進(jìn)行受力分析，受重力mg和細(xì)線的拉力F作用，根據(jù)牛頓第二定律有：mgFma，所以細(xì)線的拉力為Fmgmam(ga)，B正確。6. (超重、失重)若貨物隨升降機(jī)運(yùn)動(dòng)的v­t圖像如圖所示(豎直向上為正)，則貨物受到升降機(jī)的支持力F與時(shí)間t關(guān)系的圖像可能是()答案B解析由題圖可知，貨物與升降機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程依次為加速下降、勻速下降、減速下降、加速上升、勻速上升、減速上升，故升降機(jī)與貨物所處的狀態(tài)依次為失重、平衡、超重、超重、平衡、失重，B正確。7(超重、失重)在電梯中，把一物體置于臺(tái)秤上，臺(tái)秤與力傳感器相連，當(dāng)電梯從靜止起加速上升，然后又勻速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，最后停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器的熒屏上顯示出其受的壓力與時(shí)間的關(guān)系圖像如圖所示。試由此圖回答問題：(g取10 m/s2)(1)該物體的重力是多少？電梯在超重和失重時(shí)物體的重力是否變化？(2)算出電梯在超重和失重時(shí)的最大加速度分別是多大(結(jié)果保留兩位小數(shù))?答案(1)30 N不變(2)6.67 m/s26.67 m/s2解析(1)根據(jù)題意，4 s到18 s物體隨電梯一起勻速運(yùn)動(dòng)，由共點(diǎn)力平衡條件與作用力和反作用力相等可知：物體對(duì)傳感器的壓力和物體的重力相等，即G30 N；根據(jù)超重和失重的本質(zhì)得電梯在超重和失重時(shí)物體的重力不變。(2)物體質(zhì)量m3 kg，超重時(shí)：物體受到的支持力大小等于物體對(duì)傳感器的壓力大小，最大為50 N，由牛頓第二定律得a1 m/s26.67 m/s2，方向向上。失重時(shí)：物體受到的支持力大小等于物體對(duì)傳感器的壓力大小，最小為10 N，由牛頓第二定律得a2 m/s26.67 m/s2，方向向下。8(綜合)一種巨型娛樂器械可以使人體驗(yàn)超重和失重。一個(gè)可乘坐十多個(gè)人的環(huán)形座艙套裝在豎直柱子上，由升降機(jī)送上幾十米的高處，然后讓座艙自由落下。落到一定位置時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)，到地面時(shí)剛好停下。已知座艙開始下落時(shí)的高度為75 m，當(dāng)落到離地面30 m的位置時(shí)開始制動(dòng)，座艙均勻減速。重力加速度g取10 m/s2，不計(jì)空氣阻力。(1)求座艙下落的最大速度的大小；(2)求座艙下落的總時(shí)間；(3)若座艙中某人用手托著重30 N的鉛球，求座艙下落過(guò)程中球?qū)κ值膲毫Υ笮?。答?1)30 m/s(2)5 s(3)前45 m球?qū)κ值膲毫榱悖?0 m球?qū)κ值膲毫Υ笮?5 N解析(1)座艙做自由落體運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)速度最大，由自由落體速度與位移關(guān)系式v22gh，可得座艙下落的最大速度的大小為v m/s30 m/s。(2)由hgt，可得自由落體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t13 s。由勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律可得h2t2，解得t22 s。故座艙下落總時(shí)間tt1t23 s2 s5 s。(3)前45 m人和鉛球都處于完全失重狀態(tài)，故球?qū)κ值膲毫榱恪驕p速階段，即后30 m，鉛球的加速度大小a15 m/s2。由牛頓第二定律可得Nmgma，鉛球的質(zhì)量m3 kg，解得Nmgma75 N，由牛頓第三定律可知球?qū)κ值膲毫Υ笮?5 N。B組：等級(jí)性水平訓(xùn)練9(超重、失重)在探究超重和失重規(guī)律時(shí)，某體重為G的同學(xué)站在一壓力傳感器上完成一次下蹲動(dòng)作。傳感器和計(jì)算機(jī)相連，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到壓力F隨時(shí)間t變化的圖像，則下列圖像中可能正確的是()答案D解析 先分析人的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)人的運(yùn)動(dòng)確定加速度的方向，再根據(jù)牛頓第二定律或超失重的知識(shí)確定壓力的變化情況。人下蹲時(shí)先向下加速再向下減速最后靜止，所以下蹲過(guò)程中該同學(xué)先是處于失重狀態(tài)(壓力小于重力)，再處于超重狀態(tài)(壓力大于重力)，最后靜止時(shí)壓力等于重力，D正確。10(超重、失重)高蹺運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)新型運(yùn)動(dòng)，圖甲為彈簧高蹺，當(dāng)人抓住扶手用力蹬踏板壓縮彈簧后，人就向上彈起，進(jìn)而帶動(dòng)高蹺跳躍，如圖乙所示。不計(jì)空氣阻力，則下列說(shuō)法正確的是()A人向上彈起的過(guò)程中，一直處于超重狀態(tài)B人向上彈起的過(guò)程中，踏板對(duì)人的作用力大于人對(duì)踏板的作用力C從最高點(diǎn)下落至最低點(diǎn)的過(guò)程，人先做勻加速運(yùn)動(dòng)后做勻減速運(yùn)動(dòng)D彈簧壓縮到最低點(diǎn)時(shí)，高蹺對(duì)人的作用力大于人的重力答案D解析人向上彈起的過(guò)程，先加速后減速，所以先超重后失重，A錯(cuò)誤；人向上彈起的過(guò)程中，踏板對(duì)人的作用力與人對(duì)踏板的作用力是一對(duì)相互作用力，大小是相等的，B錯(cuò)誤；從最高點(diǎn)下落至最低點(diǎn)的過(guò)程，人先加速后減速，由于彈力在變化，所以不是勻變速運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)誤；彈簧壓縮到最低點(diǎn)時(shí)，人有向上的加速度，高蹺對(duì)人的作用力大于人的重力，D正確。11(超重、失重)如圖是某同學(xué)站在壓力傳感器上做下蹲起立的動(dòng)作時(shí)傳感器記錄的壓力隨時(shí)間變化的圖線，縱坐標(biāo)為壓力，橫坐標(biāo)為時(shí)間。由圖線可知，該同學(xué)的體重約為650 N，除此以外，還可以得到以下信息()A1 s時(shí)人處在下蹲的最低點(diǎn) B2 s時(shí)人處于下蹲靜止?fàn)顟B(tài) C該同學(xué)做了2次下蹲起立的動(dòng)作 D下蹲過(guò)程中人始終處于失重狀態(tài)答案B解析人下蹲過(guò)程先是加速下降，到達(dá)最大速度后再減速下降，即先失重再超重，由題圖可知，t1 s時(shí)人仍然在加速下降，A、D錯(cuò)誤；在t2 s時(shí)人處于下蹲靜止?fàn)顟B(tài)，B正確；人起立過(guò)程先是加速上升，到達(dá)最大速度后再減速上升，即先超重后失重，起立后靜止，對(duì)應(yīng)圖像可知，該同學(xué)做了1次下蹲起立的動(dòng)作，C錯(cuò)誤。12(綜合)質(zhì)量為50 kg的人站在升降機(jī)內(nèi)的體重計(jì)上。若升降機(jī)由靜止上升的過(guò)程中，體重計(jì)的示數(shù)F隨時(shí)間t的變化關(guān)系如圖所示，g取10 m/s2。求：(1)010 s內(nèi)升降機(jī)的加速度；(2)20 s內(nèi)人上升的高度。答案(1)4 m/s2，方向向上(2)600 m解析(1)由圖像知，010 s內(nèi)體重計(jì)對(duì)人的支持力FN700 N，根據(jù)牛頓第二定律得：FNmgma，即a m/s24 m/s2，方向向上。(2)010 s內(nèi)人的位移為x1at200 m，由圖像知，1020 s內(nèi)體重計(jì)對(duì)人體的支持力FN500 N，F(xiàn)合FNmg0，所以這段時(shí)間內(nèi)升降機(jī)做勻速運(yùn)動(dòng)，故這段時(shí)間內(nèi)人的位移為x2at1·t2400 m，故20 s內(nèi)人上升的高度xx1x2600 m。- 13 -