高中物理魯科版 (2019)必修 第一冊第5章 牛頓運動定律第5節(jié) 超重與失重導(dǎo)學(xué)案

這是一份高中物理魯科版 (2019)必修 第一冊第5章 牛頓運動定律第5節(jié) 超重與失重導(dǎo)學(xué)案，共12頁。學(xué)案主要包含了學(xué)習(xí)目標(biāo)，核心素養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)重難點，學(xué)習(xí)過程，典例示范，規(guī)律方法，素養(yǎng)訓(xùn)練，思考·討論等內(nèi)容，歡迎下載使用。
超重與失重 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．知道超、失重和完全失重2．會根據(jù)條件判斷超、失重【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念：1．知道超重、失重、完全失重的概念2．理解超、失重并不是重力真的發(fā)生變化科學(xué)思維：1．能全方位判斷某過程是超重狀態(tài)還是失重狀態(tài);2．會根據(jù)示數(shù)大小判斷超失重科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：利用完全失重相關(guān)知識點可以解釋太空中的相關(guān)現(xiàn)象【學(xué)習(xí)重難點】1．理解超、失重并不是重力真的發(fā)生變化2．能全方位判斷某過程是超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)并會根據(jù)示數(shù)大小判斷超失重3．利用完全失重相關(guān)知識點可以解釋太空中的相關(guān)現(xiàn)象【學(xué)習(xí)過程】必備知識?素養(yǎng)奠基一、超重現(xiàn)象1．定義：物體對懸掛物的拉力（或?qū)χС治锏膲毫Γ?/span>_________物體所受重力的現(xiàn)象。2．產(chǎn)生條件：物體具有_________的加速度。3．運動類型：超重物體做向上的_________或向下的__________。二、失重現(xiàn)象1．定義：物體對懸掛物的拉力（或?qū)χС治锏膲毫Γ?/span>______物體所受重力的現(xiàn)象。2．產(chǎn)生條件：物體具有_________的加速度。3．運動類型：失重物體做向上的_________或向下的__________。4．完全失重：（1）定義：物體對懸掛物的_____（或?qū)χС治锏?/span>_____）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____________。（3）所有的拋體運動，在不計阻力的情況下，都處于__________狀態(tài)。關(guān)鍵能力?素養(yǎng)形成一、認識超重和失重1．超、失重的本質(zhì)：超、失重是一種現(xiàn)象，并非物體的實際重力發(fā)生變化，而是物體對彈簧測力計的拉力或?qū)ε_秤的壓力大于或小于真實重力的一種現(xiàn)象。2．超、失重的特點：（1）無論超重、失重或完全失重，物體的重力都不變。（2）在完全失重狀態(tài)下，一切由重力產(chǎn)生的現(xiàn)象都會完全消失。3．超、失重與運動的關(guān)系：物體是否處于超重或失重狀態(tài)，不在于物體向上運動還是向下運動，而在于物體的加速度方向，只要其加速度在豎直方向上有分量，物體就會處于超重或失重狀態(tài)。【典例示范】在升降的電梯內(nèi)的水平地面上放一體重計，電梯靜止時，小吳同學(xué)站在體重計上，體重計的示數(shù)為60 kg，電梯運動時，某一段時間小吳同學(xué)發(fā)現(xiàn)體重計的示數(shù)為72 kg，在這段時間內(nèi)，下列說法正確的是（  ）A．小吳同學(xué)所受的重力變大了B．小吳同學(xué)對體重計的壓力大于體重計對他的支持力C．電梯的加速度的方向一定豎直向上D．電梯的運動方向一定豎直向上【規(guī)律方法】判斷超、失重的方法（1）從受力角度：超重：物體所受向上的拉力（或支持力）大于重力；失重：物體所受向上的拉力（或支持力）小于重力；完全失重：物體所受向上的拉力（或支持力）為零。（2）從加速度的角度：超重時，物體具有豎直向上的加速度；失重時，物體具有豎直向下的加速度；完全失重時，物體具有豎直向下的加速度，且加速度的大小等于重力加速度。【素養(yǎng)訓(xùn)練】（多選）站在電梯上的人，當(dāng)電梯豎直減速下降時，下面說法中正確的是（  ）A．電梯對人的支持力小于人對電梯的壓力B．電梯對人的支持力大于人對電梯的壓力C．電梯對人的支持力等于人對電梯的壓力D．電梯對人的支持力大于人的重力二、超重和失重現(xiàn)象的比較和應(yīng)用1．超重、失重的比較：項目狀態(tài)加速度視重（F）與重力的關(guān)系運動情況受力圖平衡a=0F=mg靜止或勻速直線運動 超重向上   失重向下   完全失重向下，a=g   2．超重和失重的應(yīng)用：（1）由運動情況可以判斷物體運動的加速度方向，再由加速度方向可以判斷物體處于超重或失重狀態(tài)，進而可判斷物體的視重與實重的大小關(guān)系。（2）由物體視重和實重的大小關(guān)系可以判斷物體處于超重或失重狀態(tài)，由超重和失重判斷物體的加速度大小和方向，由加速度可以判斷物體的運動情況。【思考·討論】情境：處于直升梯內(nèi)臺秤上的物體，臺秤稱量的重力大于物體實際的重力，直升梯一定向上運動嗎？討論：（1）臺秤稱量“重力”大于物體實際重力，說明物體處于什么狀態(tài)？加速度方向向哪？（2）能確定直升梯的運動方向嗎？【典例示范】質(zhì)量m=60 kg的小張同學(xué)站在直升梯內(nèi)的體重計上，當(dāng)直升梯從1樓升到20樓的過程中，體重計的示數(shù)分別為下列示數(shù)時，直升梯做什么運動？（）（1）示數(shù)為F=600 N時。（2）示數(shù)為F=720 N時。（3）示數(shù)為F=480 N時。【素養(yǎng)訓(xùn)練】一個年輕人在以加速度為加速上升的升降機里最多能舉起質(zhì)量為m=50 kg的重物，問當(dāng)升降機以同樣的加速度減速上升時，該年輕人最多能舉起的重物的質(zhì)量m′為（）（  ）A．50 kgB．100 kgC．75 kgD．125 kg【精煉反饋】一、選擇題（本題共6小題，每題4分，共24分）1．（2018·山東學(xué)業(yè)水平考試）關(guān)于超重和失重，下列說法正確的是（  ）A．超重就是物體的重力增加了B．失重就是物體的重力減小了C．完全失重就是物體的重力變?yōu)榱?/span>D．無論超重、失重，物體的重力都不變【解析】選D。超重、失重是一種現(xiàn)象，是物體對支持物的壓力大于或小于其自身重力的現(xiàn)象，而物體自身的實際重力并沒有發(fā)生變化。2．如圖所示，小芳在電梯中手托一個重50 N的鉛球。若鉛球?qū)κ值膲毫Υ笥?/span>50 N，則電梯運動情況可能是（  ）A．勻速上升B．勻速下降C．加速上升D．靜止不動【解析】選C。鉛球?qū)κ值膲毫Υ笥阢U球?qū)嶋H的重力，則鉛球處于超重狀態(tài)，具有向上的加速度，則電梯可能加速上升或減速下降，符合題意的只有C。3．廣州塔，昵稱小蠻腰，總高度達600米，游客乘坐觀光電梯大約一分鐘就可以到達觀光平臺。若電梯簡化成只受重力與繩索拉力，已知電梯在t=0時由靜止開始上升，a-t圖像如圖所示。則下列說法正確的是（  ）A．t=4.5 s時，電梯處于失重狀態(tài)B．5～55 s時間內(nèi)，繩索拉力最小C．t=59.5 s時，電梯處于超重狀態(tài)D．t=60 s時，電梯速度恰好為零【解題指南】解答本題可從以下兩個方面考慮：（1）從圖像中判斷加速度的方向，從而判斷超重、失重。（2）繩索拉力最小一定出現(xiàn)在失重狀態(tài)下，利用牛頓第二定律求解。【解析】選D。利用a-t圖像可判斷：t=4.5 s時，電梯有向上的加速度，電梯處于超重狀態(tài)，則選項A錯誤；0～5 s時間內(nèi)，電梯處于超重狀態(tài)，拉力大于重力，5～55 s時間內(nèi)，a=0，電梯處于勻速上升過程，拉力等于重力，55～60 s時間內(nèi)，電梯處于失重狀態(tài)，拉力小于重力，綜上所述，選項B、C錯誤；因a-t圖線與t軸所圍的“面積”代表速度改變量，而圖中橫軸上方的“面積”與橫軸下方的“面積”相等，則電梯的速度在t=60 s時為零，選項D正確。4．（2019福州高一檢測）如圖所示，輕質(zhì)彈簧的上端固定在電梯的天花板上，彈簧下端懸掛一個小球，電梯中有質(zhì)量為50 kg的乘客，在電梯運行時乘客發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)彈簧的伸長量始終是電梯靜止時的四分之三，已知重力加速度，由此可判斷（  ）A．電梯可能加速下降，加速度大小為B．電梯可能減速上升，加速度大小為C．乘客處于超重狀態(tài)D．乘客對電梯地板的壓力為625 N【解析】選B。電梯靜止不動時，小球受力平衡，有mg=kx，電梯運行時彈簧的伸長量比電梯靜止時小，說明彈力變小了，根據(jù)牛頓第二定律，有mg-kx=ma，即mg=ma解得：，加速度向下，電梯可能加速下降或減速上升，乘客處于失重狀態(tài)，故A、C錯誤，B正確；以乘客為研究對象，根據(jù)牛頓第二定律可得：m′g-F N=m′a，乘客對地板的壓力大小為F N=m′g-m′a=500 N-125 N=375 N，故D錯誤。5．宇航員在火箭發(fā)射與飛船回收的過程中均要經(jīng)受超重與失重的考驗，下列說法正確的是（  ）A．火箭加速上升時，宇航員處于超重狀態(tài)B．飛船落地前減速下落時，宇航員處于失重狀態(tài)C．火箭加速上升時，宇航員對座椅的壓力小于自身重力D．火箭加速上升過程中加速度逐漸減小時，宇航員處于失重狀態(tài)【解析】選A?；鸺铀偕仙龝r，加速度方向向上，宇航員處于超重狀態(tài)，宇航員對座椅的壓力大于自身重力，故A正確，C、D錯誤；飛船落地前減速下落時，加速度向上，宇航員處于超重狀態(tài)，故B錯誤。6．（2019廈門高一檢測）廈門海底世界的“海獅頂球”節(jié)目因其互動性強而深受小朋友們的喜愛。如圖所示為一海獅把球頂向空中，并等其落下。下列說法正確的是（  ）A．球在最高點時受到重力和海獅對它的頂力作用B．球在最高點時速度為零，但加速度不為零C．球在上升過程中處于超重狀態(tài)D．球在下落過程中處于超重狀態(tài)【解析】選B。豎直上拋運動是初速度向上，只在重力作用下的運動，球在最高處只受到重力，故A錯誤；球上升到最高點時受到重力的作用，速度為零，加速度為g，故B正確；豎直上拋運動上升和下落過程都是只受到重力的作用，加速度為g，加速度的方向向下，處于失重狀態(tài)，故C、D錯誤。二、計算題（本題共2小題，共36分。要有必要的文字說明和解題步驟，有數(shù)值計算的要標(biāo)明單位）7．（16分）（2019·泉州高一檢測）在電梯中，把一重物置于臺秤上，臺秤與力傳感器相連，當(dāng)電梯從靜止加速上升，然后又勻速運動一段時間，最后停止運動；傳感器的屏幕上顯示出其受的壓力與時間的關(guān)系（ N-t）圖像，如圖所示，則（1）電梯在哪段時間內(nèi)加速上升，此過程中重物處于超重狀態(tài)還是失重狀態(tài)？為什么？（2）電梯的最大加速度是多大？（取）【解析】（1）因為重物做勻速直線運動時對臺秤的壓力等于重力，由圖可知，G=3 0 N，電梯在0～4 s內(nèi)加速上升，重物在0～4 s內(nèi)處于超重狀態(tài)，因為在0～4 s內(nèi)，重物對臺秤的壓力大于重力。（2）重物的質(zhì)量m==3 kg，因為重物對臺秤的壓力與臺秤對重物的支持力是作用力與反作用力，所以，重物所受的支持力的最大值 Nm=50 N，因為當(dāng) Nm=50 N時，重物處于超重狀態(tài)，所以， N-G=ma，，重物所受的支持力的最小值 Nmi N=10 N，因為當(dāng) NmiN=10 N時，重物處于失重狀態(tài)，所以G- N=ma，，所以，加速度a的最大值為。答案：見解析8．（20分）某同學(xué)到廣州塔“小蠻腰”參觀，為了測量電梯運行的相關(guān)數(shù)據(jù)，該同學(xué)帶了一個電子臺秤，并站在臺秤上觀察臺秤數(shù)據(jù)變化。電梯靜止時他觀察到臺秤的示數(shù)為50 kg。在啟動時示數(shù)變?yōu)?/span>52.5 kg，這個示數(shù)持續(xù)了10 s后又恢復(fù)到50 kg，電梯勻速運動了80 s，靠近觀光層時臺秤的示數(shù)變?yōu)?/span>45 kg直到電梯到達觀光臺，已知在臺秤示數(shù)運算和加速度計算時g都取。求：????????????? （1）電梯勻速運動時的速度大小。（2）電梯減速的時間為多少。（3）在坐標(biāo)系中畫出電梯運動全過程的v-t圖像。【解析】（1）電梯靜止時他觀察到臺秤的示數(shù)為50 kg。在啟動時示數(shù)變?yōu)?/span>52.5 kg，說明此時合力F=（52.5-50）×10 N=25 N根據(jù)牛頓第二定律知加速時間為t1=10 s，勻速直線運動速度為v=a1t1=5 m/s（2）靠近觀光層時臺秤的示數(shù)變?yōu)?/span>45 kg，則此時合力F′=（45-50）×10 N=ma2解得所以減速時間（3）根據(jù)以上分析知0～10 s，電梯做勻加速運動，速度達到5 m/s；10～90 s，電梯做勻速直線運動，速度為5 m/s；90～95 s，電梯做勻減速直線運動，末速度為零。答案：（1）5 m/s（2）5 s（3）9．（6分）如圖所示，A、B兩人用安全帶連接在一起，從飛機上跳下進行雙人跳傘運動，降落傘未打開時不計空氣阻力，下列說法正確的是（  ）A．在降落傘未打開的下降過程中，安全帶的作用力一定是零B．在降落傘未打開的下降過程中，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程中，安全帶的作用力小于B的重力【解析】選A。在降落傘打開前的下落過程中，A、B兩人均處于完全失重狀態(tài)，二者之間的彈力為零，故A正確，B、C錯誤；當(dāng)降落傘打開之后減速下降過程中，整體處于超重狀態(tài)，對B分析，FT-mg=ma，即，故安全帶的作用力大于B的重力，故D錯誤。10．（6分）（多選）如圖所示，運動員進行“3 m跳板跳水”運動的過程可簡化為：運動員走上跳板，將跳板從水平位置B壓到最低點C，跳板又將運動員豎直向上彈到最高點A，然后運動員做自由落體運動，豎直落入水中，跳板自身重力忽略不計，則下列說法正確的是（  ）A．運動員向下運動（B→C）的過程中，先失重后超重，對板的壓力先減小后增大B．運動員向下運動（B→C）的過程中，先失重后超重，對板的壓力一直增大C．運動員向上運動（C→B）的過程中，先超重后失重，對板的壓力先增大后減小D．運動員向上運動（C→B）的過程中，先超重后失重，對板的壓力一直減小【解析】選B、D。人受到重力及板向上的彈力；人在向下運動的過程中，人受到的板的彈力越來越大，開始時加速度向下、減小；然后加速度再向上、增大，故人應(yīng)先失重后超重，故B正確；運動員在向上運動時，由于彈力減小，但開始時一定大于重力，故合外力先減小后增大，而加速度先向上，后向下，故人先超重后失重，故D正確。11．（6分）直升機懸停在空中向地面投放裝有救災(zāi)物資的箱子，如圖所示，設(shè)投放初速度為零，箱子所受的空氣阻力與箱子下落速度的平方成正比，且運動過程中箱子始終保持圖示姿態(tài)，在箱子下落過程中，下列說法正確的是（  ）A．箱內(nèi)物體對箱子底部始終沒有壓力B．箱子剛從飛機上投下時，箱內(nèi)物體受到的支持力最大C．箱子接近地面時，箱內(nèi)物體受到的支持力比剛投下時大D．若下落距離足夠長，箱內(nèi)物體有可能不受底部支持力而“飄起來”【解析】選C。剛投下時箱子不受阻力，整體加速度為g，對于物體有：mg- N=mg，即 N=0，因此此時物體受到的支持力為零，故B錯。隨著箱子的下落，因受空氣阻力作用，對整體應(yīng)用牛頓第二定律得：（M+m）g-kv2=（M+m）a，隨著下落速度的增大，加速度越來越小，對物體應(yīng)用牛頓第二定律得：mg- N=ma，隨著加速度的減小，支持力越來越大，由牛頓第三定律可得壓力也越來越大，故A錯、C對。若下落距離足夠長，最后重力與阻力平衡，加速度a為零，箱子將做勻速直線運動，此時對物體有：mg= N，因此物體不可能“飄起來”，故D錯。12．（22分）小劉同學(xué)用臺秤研究人在升降電梯中的超重與失重現(xiàn)象。他在地面上用臺秤稱得其體重為500 N，再將臺秤移至電梯內(nèi)稱其體重，電梯從t=0時由靜止開始運動到t=11 s時停止，得到臺秤的示數(shù)F隨時間t變化的圖像如圖所示，g取。（1）求小劉在0～2 s內(nèi)加速度a1的大小，并判斷在這段時間內(nèi)他處于超重還是失重狀態(tài)。（2）求在10～11 s內(nèi)，臺秤的示數(shù)F3。（3）求小劉運動的總位移x。【解析】（1）由圖像可知，在0～2 s內(nèi)，臺秤對小劉的支持力F1=450 N，由牛頓第二定律有mg-F1=ma1；解得加速度方向豎直向下，故小劉處于失重狀態(tài)。（2）設(shè)在10～11 s內(nèi)小劉的加速度為a3，時間為t3，0～2 s的時間為t1，則a1t1=a3t3，解得由牛頓第二定律有F3-mg=ma3解得F3=600 N（3）0～2 s內(nèi)位移x1=a1=2 m2～10 s內(nèi)位移x2=a1t1t2=16 m10～11 s內(nèi)位移x3=a3=1 m小劉運動的總位移x=x1+x2+x3=19 m答案：（1）失重狀態(tài)（2）600 N（3）19 m【補償訓(xùn)練】如圖所示，傾斜索道與水平方向成θ=37°角，當(dāng)載人車廂加速向上運動時，人對車廂底板的壓力為體重的1.25倍，這時人與車廂仍然是相對靜止，則車廂對人的靜摩擦力是人體重的多少倍？【解析】對人受力分析如圖所示，并建立直角坐標(biāo)系，沿x方向：f=macosθ，沿y方向：N-mg=masinθ，N=1.25 mg。由以上各式聯(lián)立可得，即車廂對人的靜摩擦力是人體重的。答案：