高考物理必修知識點知識講解 超重和失重 提高

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1、 超重和失重 編稿：周軍 審稿：吳楠楠 【學習目標】 1．理解超重和失重現(xiàn)象的含義。 2．能通過牛頓定律對超重和失重進行定量地分析。 【要點梳理】 要點一、超重與失重 (1)提出問題 你乘過垂直升降式電梯嗎?當電梯開始啟動上升時，你會心慌同時也會充分體驗到“腳踏實地”的感覺，電梯即將停止上升時，則會頭暈同時有種“飄飄然”的感覺，這就是失重和超重造成的． (2)實重與視重 ①實重：物體實際所受的重力．物體所受重力不會因物體運動狀態(tài)的改變而變化．②視重：當物體在豎直方向上有加速度時(即a≠0)，物體對彈簧測力計的拉力或?qū)ε_秤的壓力將不等于

2、物體的重力，此時彈簧測力計或臺秤的示數(shù)叫物體的視重． 【說明】正因為當物體在豎直方向有加速度時視重不再等于實重，所以我們在用彈簧測力計測物體重力時，強調(diào)應(yīng)在靜止或勻速運動狀態(tài)下進行． (3)超重和失重現(xiàn)象 ①超重現(xiàn)象：當人在電梯中開始上升時，感覺對底板的壓力增大，即當物體具有豎直向上的加速度時，這個物體對支持面的壓力(或?qū)覓炖K的拉力)大于它所受的重力，稱為超重現(xiàn)象．如用彈簧豎直懸掛一重物靜止，當用力提彈簧使重物加速上升時，彈簧伸長，彈力就會變大，這就是一種超重現(xiàn)象． ②失重現(xiàn)象：當人在電梯中開始下降時，感覺對底板的壓力減小，即當物體具有向下的加速度時，

3、這個物體對支持而的壓力(或懸掛繩的拉力)小于它所受的重力，稱為失重現(xiàn)象．如果物體對支持面的壓力(或?qū)覓炖K的拉力)等于零，叫完全失重現(xiàn)象．如用彈簧豎直懸掛著一重物保持靜止，人拿著懸掛點加速下移時，彈簧會縮短，說明彈力變小，這就是一種失重現(xiàn)象．若人松手，讓彈簧和重物一起自由下落，則彈簧的示數(shù)為零，此為完全失重現(xiàn)象． 【注意】 a．超重與失重現(xiàn)象，僅僅是一種表象，好像物體的重力時大時小．處于平衡狀態(tài)時，物體所受的重力大小等于支持力或拉力，但當物體在豎直方向上做加速運動時，重力和支持力(或托力)的大小就不相等了．所謂超重與失重，只是拉力(或支持力)的增大或減小，是視重的改變． b．物體

4、處于超重狀態(tài)時，物體不一定是豎直向上做加速運動，也可以是豎直向下做減速運動．即只要物體的加速度方向是豎直向上的，物體都處于超重狀態(tài)．物體的運動方向可能向上，也可能向下． 同理，物體處于失重狀態(tài)時，物體的加速度豎直向下，物體既可以做豎直向下的加速運動，也可以做豎直向上的減速運動． c．物體不在豎直方向上運動，只要其加速度在豎直方向上有分量，即≠0時，則當方向豎直向上時，物體處于超重狀態(tài)；當方向豎直向下時，物體處于失重狀念． d．當物體正好以向下的大小為g的加速度運動時，這時物體對支持面、懸掛物完全沒有作用力，即視重為零，稱為完全失重． 完全失重狀態(tài)下發(fā)生的

5、現(xiàn)象，我們可以這樣設(shè)想，假若地球上重力消失，則重力作用下產(chǎn)生的所有現(xiàn)象都將消失，如天平失效、體重計不能使用、小球不會下落等等． ③超重和失重的判斷方法： 若物體加速度已知，看加速度的方向，方向向上超重，方向向下失重． 若物體的視重已知，看視重與重力的大小關(guān)系，視重大于重力，超重；視重小于重力，失重． 要點二、超重、失重問題的處理方法 超重、失重現(xiàn)象的產(chǎn)生條件是具有豎直方向的加速度，我們用牛頓第二定律可以分析到其本質(zhì)，故對超重、失重問題的處理方法有： (1)用牛頓第二定律去定量地列方程分析，以加速度方向為正方向，列方程，注意使用牛頓第三定律，因

6、為壓力和支持力并不是一回事，同時注意物體具有向上(或向下)的加速度與物體向上運動還是向下運動無關(guān)． (2)對連接體問題的求解，如測力計、臺秤示數(shù)變化的問題，對于其中一物體(或物體中的一部分)所處運動狀態(tài)的變化，而導致系統(tǒng)是否保持原來的平衡狀態(tài)的判斷，若用“隔離法”分別進行受力分析，再通過對系統(tǒng)整體的運動狀態(tài)的分析推理而得出結(jié)論固然可以，但繁瑣費力．如果從整體觀點出發(fā)，用系統(tǒng)的重心發(fā)生的超重、失重現(xiàn)象進行分析判斷，則會更加簡捷方便． 【典型例題】 類型一、對超重和失重的理解 例1、（2015 武清區(qū)期末考）某同學乘電梯從一樓到六樓，在電梯剛啟動時（ ） A． 該同學

7、處于超重狀態(tài) B． 該同學處于失重狀態(tài) C． 該同學的重力變大 D． 該同學的重力變小 【答案】A 【解析】 A 、某同學乘電梯從一樓到六樓，在電梯剛啟動時，向上做加速運動，加速度向上，處于超重狀態(tài)，故A正確，B錯誤。 C、無論是超重或失重狀態(tài)，物體所受到的重力并沒有發(fā)生變化，只是對接觸面的壓力不再和重力相等了，故C、D錯誤。 【點評】當物體的加速度豎直向上時，物體處于超重狀態(tài)，當物體的加速度豎直向下時，物體處于失重狀態(tài)；對支撐物的壓力或?qū)覓煳锏睦π∮谖矬w的重力時，物體處于失重狀態(tài)，對支撐物的壓力或?qū)覓煳锏睦Υ笥谖矬w的重力時，物體處于超重狀態(tài)。 舉一反三 【變式】

8、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鐵球，在電梯運行時，乘客發(fā)現(xiàn)彈簧的伸長量比電梯靜止時的伸長量小，這一現(xiàn)象表明(　　) A．電梯一定是在下降 B．電梯可能是在上升 C．電梯的加速度方向一定是向上 D．乘客一定處在失重狀態(tài) 【答案】BD 【解析】電梯靜止時，彈簧的拉力和重力相等．現(xiàn)在，彈簧的伸長量變小，則彈簧的拉力減小，小鐵球 的合力方向向下，加速度向下，小鐵球處于失重狀態(tài)．但是電梯的運動方向可能向上也可能向下，故選B、D. 類型二、超重和失重現(xiàn)象的分析 例2、某人在地面上用彈簧測力計稱得其體重為490 N．他將彈簧測力計移至電梯內(nèi)稱其體重

9、，t0至t3時間段內(nèi)，彈簧測力計的示數(shù)如圖所示，電梯運行的v－t圖可能是(取電梯向上運動的方向為正)(　　) 【思路點撥】t0～t1時間內(nèi)彈簧測力計的示數(shù)小于重力，失重；t1～t2時間內(nèi)彈簧測力計的示數(shù)等于重力，平衡；t2～t3時間內(nèi)彈簧測力計的示數(shù)大于重力，超重； 【答案】AD 【解析】由G－t圖象知：t0～t1時間內(nèi)失重，具有向下的加速度，t1～t2時間內(nèi)勻速或靜止，t2～t3時間內(nèi)超重具有向上的加速度，因此其運動情況可能是：t0～t3時間內(nèi)，故A、D正確． 【點評】超重和失重過程中物體的重力并沒有改變，只是顯示的示數(shù)變大或變小。 舉一反三 【變式1】在升降電梯

10、內(nèi)的地面上放一體重計，電梯靜止時，曉敏同學站在體重計上，體重計示數(shù)為50 kg，電梯運動過程中，某一段時間內(nèi)曉敏同學發(fā)現(xiàn)體重計示數(shù)如圖所示．在這段時間內(nèi)下列說法中正確的是(　　) A．曉敏同學所受的重力變小了 B．曉敏對體重計的壓力小于體重計對曉敏的支持力 C．電梯一定在豎直向下運動 D．電梯的加速度大小為g/5，方向一定豎直向下 【答案】D 【解析】體重計示數(shù)變小了，說明該同學處于失重狀態(tài)，但所受重力并不變小，A錯；壓力與支持力是一對相互作用力，大小相等，B錯；電梯的加速度一定向下，但不一定向下運動，C錯；由牛頓第二定律可知D對． 【高清課程：超重和失重 例題7

11、】 【變式2】一質(zhì)量為m＝40 kg的小孩子站在電梯內(nèi)的體重計上．電梯從s＝0時刻由靜止開始上升，在0到6s內(nèi)體重計示數(shù)F的變化如圖所示．試問：在這段時間內(nèi)電梯上升的高度是多少?(重力加速度g取10m/s2) 【答案】9m 【解析】由圖可知，在t＝0到t1＝2s的時間內(nèi)，體重計的示數(shù)大于mg，故電梯應(yīng)做向上的加速運動．設(shè)在這段時間內(nèi)體重計作用于小孩的力為F1，電梯及小孩的加速度為a1，由牛頓第二定律，得 ① 在這段時間內(nèi)電梯上升的高度 ② 在t1到t2＝5s的時間內(nèi)，體重計的示數(shù)等于mg，故電梯應(yīng)做勻速上升運動，速度為t1時刻電

12、梯的速度，即 在這段時間內(nèi)電梯上升的高度 ④ 在t2到t3＝6s的時間內(nèi)，體重計的示數(shù)小于mg，故電梯應(yīng)做向上的減速運動．設(shè)在這段時間內(nèi)體重計作用于小孩的力為F2，電梯及小孩的加速度為a2，由牛頓第二定律，得mg-F2＝ma2 ⑤ 在這段時間內(nèi)電梯上升的高度 ⑥ 電梯上升的總高度 ⑦ 由以上各式，解得h＝9m． 類型三、超重、失重問題的處理方法 例3、如圖所示，把盛水容器放在臺秤的托盤上，用固定在容器底部的細線使小木塊懸浮在水中．當剪斷細線，木塊加速上升時，臺秤的讀數(shù)將如何變化?(在木塊浮出水面

13、之前)．下面給出該題目的兩種解法，請讀者判斷、分析解法的正誤，如果解法錯誤請指明錯誤的原因并做出正確的解答，如果所給解法正確也請說明理由并敘述之． 解法一：細繩剪斷時，木塊仍在水中，系統(tǒng)仍為一個整體，只是內(nèi)力改變了，故而臺秤的示數(shù)不變． 解法二：細繩剪斷時，木塊加速上升，具有豎直向上的加速度，由對發(fā)生超重、失重的發(fā)生條件、概念含義的理解，木塊發(fā)生了超重現(xiàn)象，臺秤讀數(shù)變大． 【思路點撥】因為木塊的密度小于水的密度，當剪斷細繩時，木塊會向上加速運動．與此同時，在木塊的上方必然有一等體積的“水塊”以同樣大小的加速度向下運動，從而填補木塊占據(jù)的空間，整個系統(tǒng)將處于失重狀態(tài)．

14、 【解析】對于“解法一”，究其發(fā)生原因是錯誤地認為剪斷細線后，木塊雖然上升，但其排開水的體積未變，所受的浮力不變，自身的重力未變，系統(tǒng)的總重力也就不變，故而測力計的讀數(shù)不變．此處只考慮了木塊運動狀態(tài)的變化而忽略了水的運動狀態(tài)的變化，犯了片面性的錯誤． 對于“解法二”，只單一的分析了木塊由于加速上升而導致的超重現(xiàn)象，而遺漏了對水的運動狀態(tài)的分析，誤認為只是木塊發(fā)生了超重，水沒有發(fā)生超重或失重現(xiàn)象，從而作出了“臺秤的讀數(shù)變大”的錯誤結(jié)論． 其實，正確的解答是： 因為木塊的密度小于水的密度，當剪斷細繩時，木塊會向上加速運動．與此同時，在木塊的上方必然有一等體積的“水塊”以同樣大

15、小的加速度向下運動，從而填補木塊占據(jù)的空間．又由于密度，則“水塊”的質(zhì)量必大于木塊的質(zhì)量，因此，木塊與“水塊”的整體的“重心”必然具有豎直向下的加速度，整個系統(tǒng)將處于失重狀態(tài)．故臺秤的示數(shù)必將變小． 【點評】此題重在考查超重、失重的發(fā)生條件、概念含義的理解，必須正確的分析木塊與水的運動狀態(tài)的變化特點及其關(guān)系． 舉一反三 【變式1】（2015 安徽百校聯(lián)考）金屬小桶側(cè)面有一小孔A，當桶內(nèi)盛水時，水會從小孔A中流出．如果讓裝滿水的小桶自由下落，不計空氣阻力，則在小桶自由下落過程中（ ） A． 水繼續(xù)以相同的速度從小孔中噴出 B． 水不再從小孔噴出 C． 水將以更大的速

16、度噴出 D． 水將以較小的速度噴出 【答案】B 【解析】水桶自由下落，處于完全失重狀態(tài)，故其中的水也處于完全失重狀態(tài)，對容器壁無壓力，故水不會流出。 【高清課程：超重和失重 例題2】 【變式2】如圖所示，一個盛水的容器底部有一小孔．靜止時用手指堵住小孔不讓它漏水，假設(shè)容器在下述幾種運動過程中始終保持平動，且忽略空氣阻力，則( ) A．容器自由下落時，小孔向下漏水 B．將容器豎直向上拋出，容器向上運動時，小孔向下漏水；容器向下運動時，小孔不向下漏水 C．將容器水平拋出，容器在運動中小孔向下漏水 D．將容器斜向上拋出，容器在運動中小孔

17、不向下漏水 【答案】D 【解析】題中幾種運動，對整體分析，都只受重力作用，運動加速度為g，方向向下，容器中的水處于完全失重，對容器底部無壓力．故在底部的小孔處水不會漏出． 【變式3】如圖所示，A為電磁鐵，C為膠木稱盤，A和C（包括支架）的總質(zhì)量為M，B為鐵片，質(zhì)量為m，當電磁鐵通電，鐵片被吸引上升的過程中，臺稱讀數(shù)F（ ） A．F=mg　 B．mg＜F＜(M+m)g　 C．F=(M+m)g　 D．F＞(M+m)g B A C 【答案】D 【解析】以整體為研究對象，鐵片被吸引上升過程中，具有向上的加速度，因此鐵片處于超重狀態(tài)，因此F-(M+m)g=ma，可知：F＞

18、(M+m)g 【變式4】在太空空間站中，一切物體均處于完全失重狀態(tài)，現(xiàn)有下列儀器：①彈簧測力計；②天平；③水銀氣壓計；④密度計；⑤溫度計．這些儀器中，在太空站內(nèi)無法使用的是________． 【答案】②③④ 【解析】處于完全失重狀態(tài)時，平常由重力產(chǎn)生的一切物理現(xiàn)象都會完全消失，天平是一個等臂杠桿，利用了重力；水銀氣壓計利用了水銀重力產(chǎn)生的壓強；密度計利用了液體的浮力，而浮力是液體的壓力差引起的，故天平、水銀氣壓計、密度計均利用了重力，在太空站內(nèi)無法使用．在太空站用彈簧測力計稱重物，讀數(shù)為零，但不能誤認為彈簧測力計在太空站內(nèi)無法使用．彈簧測力計掛鉤受多大拉力，就有多大讀數(shù)，這一性質(zhì)在太空站

19、中不會改變，故彈簧測力計在太空站內(nèi)可以使用．而溫度計測量溫度與重力的有無是沒有關(guān)系的，故溫度計在太空站內(nèi)可以使用． 【高清課程：超重和失重 例題9】 【變式5】某航空公司的一架客機，在正常航線上做水平飛行時，突然受到強大垂直氣流的作用后，飛機在l0s內(nèi)高度下降1700m，造成眾多乘客和機組人員的受傷事故．如果只研究飛機在豎直方向上的運動，且假定這一運動是勻變速直線運動，試計算： （1）飛機在豎直方向上產(chǎn)生的加速度多大，方向怎樣？ （2）乘客所系安全帶必須提供相當于乘客體重多少倍的豎直拉力，才能使乘客不脫離座椅?（g=10m/s2） （3）未系安全帶的乘客，相對于機艙將向什么方向運動?最可能受到傷害的是人體的什么部位?（注：飛機上乘客所系的安全帶是固定連接在飛機座椅和乘客腰部的較寬的帶子，它使乘客與飛機座椅連在一起．） 【答案】34m/s2，方向豎直向下；2.4；人相對于飛機向上運動，會使頭部受到嚴重傷害