2013-2014学年高中物理人教版必修一配套课件 第4章 7 第1课时 共点力的平衡条件 超重和失重（ 2013高考）

7 用牛顿运动定律解决问题(二)第1课时 共点力的平衡条件 超重和失重,一、共点力的平衡条件1.平衡状态:如果一个物体在力的作用下,保持_或_状态,我们就说这个物体处于平衡状态。2.共点力的平衡条件:物体所受到的合力为_。,静止,匀速,直线运动,零,二、超重和失重1.超重(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)_物体所受重力的现象。(2)特点:物体发生超重现象时,加速度的方向_。(选填“向上”或“向下”),大于,向上,2.失重(1)定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)_物体所受重力的现象。(2)特点:物体发生失重现象时,加速度的方向_。(选填“向上”或“向下”)(3)完全失重定义:物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)_的现象。特点:物体竖直向下的加速度的大小等于_。,小于,向下,等于零,重力加速度,三、从运动学、动力学角度看自由落体运动1.自由落体运动的运动学特征自由落体运动是物体只在_作用下从_开始下落的运动。2.自由落体运动的动力学特征由于物体在做自由落体运动时所受重力是恒力,由牛顿第二定律可知,物体下落的加速度_(选填“恒定”或“改变”),从这个角度看,自由落体运动是_直线运动。,重力,静止,恒定,匀变速,一、判一判1.物体处于完全失重状态时,其重力为零。()2.物体处于超重或失重状态时,其惯性比物体处于静止状态时大或小。()3.只有静止的物体才能处于平衡状态。()4.处于平衡状态的物体可以受到力的作用。(),提示:1.。重力G=mg与当地重力加速度和物体的质量有关,与物体的运动状态无关。2.。惯性由物体的质量决定,与物体的运动状态无关。3.。处于平衡状态的物体,可以处于静止或做匀速直线运动。4.。物体的平衡条件是所受的合力为零,所以物体可以受力,但合力为零。,二、选一选姚明曾经是NBA一流中锋,给中国人赢得了很多的荣誉和尊敬,也使更多的中国人热爱篮球这项运动。如图所示,姚明某次跳起过程可分为下蹲、蹬地、离地上升、下落四个过程。下列关于蹬地和离地上升两个过程的说法中正确的是(设蹬地的力为恒力,不计空气阻力)(),A.两过程中姚明都处于超重状态B.两过程中姚明都处于失重状态C.前过程为超重,后过程不超重也不失重D.前过程为超重,后过程为完全失重提示:选D。蹬地过程中支持力大于重力,二者合力产生向上的加速度,此过程超重;离地上升过程中完全失重,故D正确,A、B、C错误。,三、想一想某时刻速度等于零的物体一定处于平衡状态吗?试举例说明。提示:物体的瞬时速度为零与静止是不等价的,这时物体不一定处于平衡状态。例如,将物体竖直上抛,物体上升到最高点时,其瞬时速度为零,但物体并不能保持静止状态,物体在重力的作用下将向下运动。,主题一 探究共点力的平衡条件【情境探究】,(1)甲图中的大石头受到几个力的作用而处于静止状态；(2)乙图中的飞机做水平方向的匀速直线运动；(3)丙图中的照相机静止在三角架上。试结合上述现象讨论：,(1)处于平衡状态的物体有什么特点？物体若受多个共点力保持平衡，应满足什么条件？提示：处于平衡状态的物体，其运动状态不发生变化，加速度为0。根据牛顿第二定律F=ma可知,当物体处于平衡状态时，加速度为0，因而物体所受的合外力F=0。所以，共点力作用下物体的平衡条件是合力为0。,(2)若一个物体受三个力作用而处于平衡状态，则其中一个力与另外两个力的合力满足怎样的关系？这个结论是否可以推广到多个力的平衡？提示：三个力平衡，合外力为零，则其中一个力与另外两个力的合力必定大小相等、方向相反。推广到多个力的平衡，若物体受多个力的作用而处于平衡状态，则这些力中的某一个力一定与其他力的合力大小相等、方向相反。,【知识点睛】共点力的平衡条件1.从运动学角度分析静止状态：物体的速度v=0，物体的加速度a=0。匀速直线运动状态：物体的速度v0，物体的加速度a=0。2.从动力学角度分析处于平衡状态的物体所受合力为零。,3.平衡条件的四个推论(1)二力平衡条件：这两个共点力大小相等、方向相反。(2)三个力平衡条件：三个共点力平衡时，其中任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反，而且在同一条直线上。(3)物体在n个共点力同时作用下处于平衡状态时，这些力在任何一个方向上的合力均为零。其中任意(n-1)个力的合力必定与第n个力等值反向，作用在同一直线上。(4)物体在多个共点力作用下处于平衡状态时，各力首尾相接必构成一个封闭的多边形。,【规律方法】解决共点力平衡问题的四种方法,【典例1】(2012新课标全国卷)拖把是由拖杆和拖把头构成的擦地工具(如图)。设拖把头的质量为m,拖杆质量可忽略;拖把头与地板之间的动摩擦因数为常数。重力加速度为g。某同学用该拖把在水平地板上拖地时,沿拖杆方向推拖把,拖杆与竖直方向的夹角为。,(1)若拖把头在地板上匀速移动,求推拖把的力的大小。(2)设能使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力与此时地板对拖把的正压力的比值为。已知存在一临界角0,若0,则不管沿拖杆方向的推力多大,都不可能使拖把从静止开始运动。求这一临界角的正切tan0。,【解题指南】解答本题时可以把握以下两点：(1)拖把头在水平方向和竖直方向所受合力均为零；(2)拖把头从静止开始运动，此时摩擦力为最大静摩擦力，最大静摩擦力可以用滑动摩擦力公式求解。,【解析】(1)设该同学沿拖杆方向用大小为F的力推拖把。将推拖把的力沿竖直和水平方向分解，根据平衡条件有：Fcos+mg=N Fsin=f 式中N和f分别为地板对拖把的正压力和摩擦力，则：f=N 联立解得： ,(2)使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力等于最大静摩擦力,设为fm，则依题意有： 若不管沿拖杆方向用多大的力都不能使拖把从静止开始运动，应满足：Fcos+mg=N Fsinfm 解得：F(sin-cos)mg,因为上式右边mg总是大于零，要使得F为任意值时,上式总是成立，只要满足：sin-cos0 即有 tan上式取等号即为临界状态，则：tan0=答案:(1)(2),【变式训练】(2013淄博高一检测)两个相同的小球A和B，质量均为m，用长度相同的两根细线把A、B两球悬挂在水平天花板上的同一点O，并用长度相同的细线连接A、B两小球。然后，用一水平方向的力F作用在小球A上，此时三根细线均处于直线状态，且OB细线恰好处于竖直方向，如图所示。如果不考虑小球的大小，两小球均处于静止状态，则： (1)AB、OB细线对小球B的拉力分别为多大？(2)OA细线对小球A的拉力为多大？作用力F为多大？,【解析】(1)对B分析，受力如图由平衡条件可得TAB=0，TOB=mg,(2)对A分析，受力如图由平衡条件得TOAsin30=mgF=TOAcos30代入数据解得TOA=2mg，F=答案：(1)0 mg (2)2mg,主题二 超重和失重【实验探究】用手提住弹簧测力计，当弹簧测力计加速上升或下降时，观察弹簧测力计的示数和变化。试结合上述现象讨论：,(1)用弹簧测力计测物体重力时，突然向上加速，观察弹簧测力计的示数如何变化。尝试用牛顿第二定律分析。提示：观察到弹簧测力计示数变大了，物体向上加速时，受到重力和拉力的作用，受力分析如图，由于有向上的加速度，根据牛顿第二定律得：F-Gma，所以FmaGG，弹簧测力计的示数变大。,(2)用弹簧测力计测物体重力时，突然向下加速，观察弹簧测力计的示数如何变化。尝试用牛顿第二定律分析。提示：观察到弹簧测力计示数变小了，物体向下加速时，受到重力和拉力的作用，受力分析如图所示，由于有向下的加速度，根据牛顿第二定律得：G-F=ma，则F=G-maG,故弹簧测力计示数变小。,(3)用弹簧测力计测物体重力时，将弹簧测力计和物体一起释放，观察弹簧测力计的示数如何变化。尝试用牛顿第二定律分析。提示：观察到弹簧测力计示数变为零。弹簧测力计和物体一起释放后，共同做自由落体运动，加速度为g，对物体用牛顿第二定律得：G-F=mg，则F=0。,【知识点睛】超重、失重和完全失重的比较,【误区警示】误认为物体在“超重”情况下的重力增加，在“失重”情况下的重力减小分析：“超重”与“失重”是由于物体在加速或减速状态下，我们感觉到物体的重力发生了变化，是在这种特殊运动状态下用弹簧测力计测量出来的“视重”。物体的重力大小G=mg,即在同一地方物体重力的大小只与它的质量有关，与物体的运动状态无关。无论物体是处于“超重”状态还是“失重”状态，或者是正常的状态，它的重力始终不变。,【典例2】美国密执安大学五名学习航空航天工程的大学生搭乘NASA的飞艇参加了“微重力学生飞行计划”。飞行员将飞艇开到6 000 m的高空后，让飞艇由静止下落，以模拟一种微重力的环境。下落过程飞艇所受空气阻力为其重力的0.04倍，这样，可以获得持续25 s之久的失重状态，大学生们就可以进行微重力影响的实验。紧接着飞艇又做匀减速运动。若飞艇离地面的高度不得低于500 m，重力加速度g取10 m/s2，试计算：,(1)飞艇在25 s内下落的高度；(2)在飞艇后来的减速过程中，大学生对座位的压力是其重力的多少倍。【解题指南】解答本题时把握以下四点：(1)由运动学公式求下落的高度；(2)根据加速度方向，确定飞艇所受合力方向；(3)运用牛顿第二定律列方程求解座位对大学生的支持力；(4)由牛顿第三定律求解大学生对座位的压力。,【解析】(1)设飞艇在25 s内下落的加速度为a1，根据牛顿第二定律可得mg-F阻ma1，解得：飞艇在25 s内下落的高度为,(2)25 s后飞艇将做匀减速运动，开始减速时飞艇的速度va1t240 m/s。减速运动下落的最大高度为h2(6 000-3 000-500) m2 500 m。减速运动飞艇的加速度大小a2至少为a2,设座位对大学生的支持力为FN，则FN-mgma2，FNm(ga2)2.152 mg根据牛顿第三定律，FNFN即大学生对座位的压力是其重力的2.152倍。答案：(1)3 000 m (2)2.152倍,【变式训练】质量为60 kg的人站在升降机中的体重计上，当升降机做下列运动时，体重计的读数是多少？(g取10 m/s2)(1)升降机匀速上升；(2)升降机以3 m/s2的加速度加速上升；(3)升降机以4 m/s2的加速度加速下降。,【解析】人站在升降机中的体重计上,受到向上的支持力FN和向下的重力G。(1)当升降机匀速上升时,由牛顿第二定律得:F合=FN-G=0所以人受到的支持力FN=G=mg=600N。根据牛顿第三定律,人对体重计的压力的大小就等于体重计的示数,即600N。,(2)当升降机以3m/s2的加速度加速上升时,由牛顿第二定律得FN-G=ma,FN=G+ma=m(g+a)=780N,由牛顿第三定律得,此时体重计的示数为780N,大于人的重力,人处于超重状态。,(3)当升降机以4m/s2的加速度加速下降时,由牛顿第二定律得:G-FN=ma,FN=G-ma=m(g-a)=360N,由牛顿第三定律得,此时体重计的示数为360N,小于人的重力600N,人处于失重状态。答案:(1)600N(2)780N(3)360N,1.(基础理论辨析题)下列说法中正确的是()A.物体的速度在某一时刻等于零,物体就一定处于平衡状态B.一物体相对另一物体保持静止时,物体一定处于平衡状态C.物体所受合力为零,就一定处于平衡状态D.物体做匀加速直线运动时,物体处于平衡状态E.在超重现象中,物体的重力是增大的F.处于完全失重状态的物体,其重力一定为零G.如果物体处于失重状态,它必然有向下的加速度,【解析】选C、G。物体处于平衡状态的条件是所受合外力为零,加速度也为零,则C正确,A、B、D错误;重力与质量和当地重力加速度有关,与所处的运动状态无关,则E、F错误;加速度向下,处于失重状态,则G正确。,2.关于超重和失重,下列说法正确的是()A.超重就是物体受到的重力增加了B.物体向上运动一定处于超重状态C.物体向下减速运动,处于超重状态D.物体做自由落体运动时处于完全失重状态,【解析】选C、D。物体超重或失重时,本身重力并没有变化,A选项错;物体加速度向上时,物体处于超重状态,此时物体不一定向上运动,B选项错,C选项对;物体做自由落体运动时,加速度为重力加速度,物体处于完全失重状态,D选项对。,3.站在电梯上的人,当电梯竖直减速下降时,下面说法中正确的是()A.电梯对人的支持力小于人对电梯的压力B.电梯对人的支持力大于人对电梯的压力C.电梯对人的支持力等于人对电梯的压力D.电梯对人的支持力大于人的重力,【解析】选C、D。减速下降时,加速度向上,人处于超重状态,所以电梯对人的支持力大于人受到的重力,而人对电梯的压力和电梯对人的支持力是相互作用力,大小必定相等。则C、D正确,A、B错误。,4.如图所示,放在斜面上的物体受到垂直于斜面向上的力F作用而始终保持静止。当力F逐渐减小时,则物体受到斜面的摩擦力 ()A.保持不变B.逐渐减小C.逐渐增大D.以上三种均有可能,【解析】选A。本题考查物体受力平衡、静摩擦力的特点。物体静止在斜面上,受四个力的作用:重力、斜面的支持力FN、力F及静摩擦力Ff,如图所示。由受力平衡得:Ff=mgsin,因此F变化时FN变化,而Ff不变,A项正确。,5.一个质量是50kg的人站在升降机的地板上,升降机