鲁科版高中物理必修一 （超重与失重）牛顿运动定律教学课件

第5节超重与失重

一、超重现象1.定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)______物体所受重力的现象。2.产生条件：物体具有_________的加速度。3.运动类型：超重物体做向上的_________或向下的__________。大于竖直向上加速运动减速运动二、失重现象1.定义：物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)______物体所受重力的现象。2.产生条件：物体具有_________的加速度。3.运动类型：失重物体做向上的_________或向下的__________。小于竖直向下减速运动加速运动4.完全失重：(1)定义：物体对悬挂物的_____(或对支持物的_____)等于零的状态。(2)产生条件：物体竖直向下的加速度等于____________。拉力压力重力加速度(3)所有的抛体运动，在不计阻力的情况下，都处于__________状态。完全失重一认识超重和失重1.超、失重的本质：超、失重是一种现象，并非物体的实际重力发生变化，而是物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力大于或小于真实重力的一种现象。2.超、失重的特点：(1)无论超重、失重或完全失重，物体的重力都不变。(2)在完全失重状态下，一切由重力产生的现象都会完全消失。3.超、失重与运动的关系：物体是否处于超重或失重状态，不在于物体向上运动还是向下运动，而在于物体的加速度方向，只要其加速度在竖直方向上有分量，物体就会处于超重或失重状态。【典例示范】在升降的电梯内的水平地面上放一体重计，电梯静止时，小吴同学站在体重计上，体重计的示数为60kg，电梯运动时，某一段时间小吴同学发现体重计的示数为72kg，在这段时间内，下列说法正确的是(

)A.小吴同学所受的重力变大了B.小吴同学对体重计的压力大于体重计对他的支持力C.电梯的加速度的方向一定竖直向上D.电梯的运动方向一定竖直向上【解析】选C。在地球表面同一纬度重力与人的运动情况和是否受到其他力的作用无关，选项A错误；根据牛顿第三定律，压力和支持力是一对作用力和反作用力，选项B错误；体重计的示数72kg大于60kg，说明合力方向向上，根据牛顿第二定律可得加速度方向向上，选项C正确；加速度向上，电梯可能加速上升，也可能减速下降，选项D错误。【规律方法】判断超、失重的方法(1)从受力角度：超重：物体所受向上的拉力(或支持力)大于重力；失重：物体所受向上的拉力(或支持力)小于重力；完全失重：物体所受向上的拉力(或支持力)为零。(2)从加速度的角度：超重时，物体具有竖直向上的加速度；失重时，物体具有竖直向下的加速度；完全失重时，物体具有竖直向下的加速度，且加速度的大小等于重力加速度。【母题追问】1.(多选)如果小吴同学将【典例示范】中的情境换到了如图所示的倾斜的电动扶梯，他站在扶梯上，经历了扶梯由静止经缓慢加速再到匀速运动的过程，则在这两个过程中，下列说法中正确的是 (

)A.加速时小吴所受重力与支持力的合力方向是竖直向上B.扶梯对小吴的支持力方向始终是竖直向上C.扶梯对小吴的摩擦力方向始终指向右上方D.扶梯对小吴的作用力的方向先指向右上方，再竖直向上(物理观念)【解析】选A、B、D。以小吴为研究对象，加速时，小吴处于超重状态，竖直方向上，支持力大于重力，两者合力竖直向上，A正确；无论扶梯加速还是匀速运动，支持力均垂直于接触面指向小吴，B正确；当扶梯缓慢加速时，扶梯对小吴摩擦力水平向右，对小吴支持力竖直向上，此二力的合力指向右上方，匀速时，对小吴没有摩擦力，对小吴仅有竖直向上的支持力，故C错误，D正确。2.在【典例示范】的情境下，小吴举起了质量为m的物体，如果在地面上，小吴最多可以举起物体的质量为M，则m和M的关系是 (

)A.m=M

B.m>MC.m<M D.无法确定(科学思维)【解析】选C。由题意可知，扶梯的加速度方向向上，分析扶梯上物体，小吴施加给物体的力F>mg，在地面上，物体处于平衡状态，小吴施加给物体的力等于物体的重力，即F=Mg，对于同一个人，能够输出的力是确定的，即m<M，故选C。【补偿训练】(多选)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，故A、B错误，C、D正确。二超重和失重现象的比较和应用1.超重、失重的比较：项目状态加速度视重(F)与重力的关系运动情况受力图平衡a=0F=mg静止或匀速直线运动

项目状态加速度视重(F)与重力的关系运动情况受力图超重向上F=m(g+a)>mg向上加速或向下减速

失重向下F=m(g-a)<mg向下加速或向上减速

项目状态加速度视重(F)与重力的关系运动情况受力图完全失重向下，a=gF=0抛体运动、自由落体运动、卫星的运动等

2.超重和失重的应用：(1)由运动情况可以判断物体运动的加速度方向，再由加速度方向可以判断物体处于超重或失重状态，进而可判断物体的视重与实重的大小关系。(2)由物体视重和实重的大小关系可以判断物体处于超重或失重状态，由超重和失重判断物体的加速度大小和方向，由加速度可以判断物体的运动情况。【思考·讨论】情境：处于直升梯内台秤上的物体，台秤称量的重力大于物体实际的重力，直升梯一定向上运动吗？讨论：(1)台秤称量“重力”大于物体实际重力，说明物体处于什么状态？加速度方向向哪？ (科学探究)提示：物体处于超重状态，加速度的方向向上。(2)能确定直升梯的运动方向吗？ (科学探究)提示：不能，只知道加速度方向向上，直升梯可能向上加速也可能向下减速。【典例示范】质量m=60kg的小张同学站在直升梯内的体重计上，当直升梯从1楼升到20楼的过程中，体重计的示数分别为下列示数时，直升梯做什么运动？(g=10m/s2) (1)示数为F=600N时。(2)示数为F=720N时。(3)示数为F=480N时。【解析】体重计的示数是人对体重计的压力，根据牛顿第三定律可知，体重计对人的支持力等于体重计的示数，人站在直升梯内的体重计上，受到重力和支持力，规定向上为正：(1)当体重计的示数F=600N时，体重计对人的支持力F=600N，人所受合力F合=F-mg=0，根据牛顿第二定律可知，人的加速度为零，故直升梯向上做匀速直线运动；(2)当体重计的示数F=720N时，体重计对人的支持力F=720N，人所受合力F合=F-mg=120N，根据牛顿第二定律可知a=2m/s2，故直升梯向上做加速度大小为2m/s2的匀加速直线运动；(3)当体重计的示数F=480N时，体重计对人的支持力F=480N，人所受合力F合=F-mg=-120N，根据牛顿第二定律可知a=-2m/s2，故直升梯向上做加速度大小为2m/s2的匀减速直线运动。答案：(1)匀速直线运动(2)向上做加速度大小为2m/s2的匀加速直线运动(3)向上做加速度大小为2m/s2的匀减速直线运动【母题追问】1.若【典例示范】直升梯中用细绳悬挂一重物，当直升梯在竖直方向运动时，突然发现绳子断了，由此判断此时直升梯的情况是 (

)A.直升梯一定是加速上升B.直升梯可能是减速上升C.直升梯可能匀速向上运动D.直升梯的加速度方向一定向上【解析】选D。由于绳子突然断了，说明绳子拉力一定变大了，由此可知，直升梯一定有方向向上的加速度，但直升梯并不一定向上运动，故A错误，D正确；直升梯减速上升时加速度向下，B错误；直升梯匀速上升，绳子不可能断，C错误。2.如果该同学要在与【典例示范】同样的直升梯内，当直升梯做以下运动时，体重计的读数是多少？处于什么状态？(取g=10m/s2) (科学思维)(1)直升梯以3m/s2的加速度匀加速上升时。(2)直升梯以4m/s2的加速度匀加速下降。【解析】(1)当直升梯以3m/s2的加速度匀加速上升时，根据牛顿第二定律可得FN-mg=ma，FN=mg+ma=780N，由牛顿第三定律可知，此时体重计示数为780N，大于实重，故处于超重状态。(2)当直升梯以4m/s2的加速度匀加速下降时，由牛顿第二定律可得mg-FN=ma，FN=mg-ma=360N，此时体重计的示数小于实重，故处于失重状态。答案：(1)780N，超重状态(2)360N，失重状态【补偿训练】一个年轻人在以加速度为a=2m/s2加速上升的升降机里最多能举起质量为m=50kg的重物，问当升降机以同样的加速度减速上升时，该年轻人最多能举起的重物的质量m′为(g取10m/s2) (

)A.50kg

B.100kg

C.75kg

D.125kg【解析】选C。不论升降机加速上升还是减速上升，该年轻人的最大举力F是不变的。当升降机加速上升时，重物处于超重状态，F=m(g+a)，当升降机减速上升时，重物处于失重状态，F=m′(g-a)，联立以上两式得m′=其中a=2m/s2，代入数据解得m′=75kg。故C正确，A、B、D错误。【拓展例题】考查内容：超重、失重状态下的浮力问题【典例】如图所示，两台秤上各放装有水的容器甲和乙，水中各有一小球通过细线分别牵拉在容器的底部和悬挂在容器的盖板上静止不动，此时两台秤的示数分别为N甲和N乙。当细线断开后，甲容器内小球上浮，乙容器内小球下沉，设两小球分别上浮和下沉的过程中，两台秤的示数分别为N′甲和N′乙，则 (

)A.N′甲>N甲，N′乙>N乙B.N′甲<N甲，N′乙<N乙C.N′甲<N甲，N′乙>N乙D.N′甲>N甲，N′乙<N乙【正确解答】选B。由于甲中小球上升，把与小球同体积的水设为一个“水球”，“水球”必然下降，小球处于超重状态，“水球”处于失重状态，小球和“水球”的加速度大小相等，小球超重部分为m球a，“水球”失重部分为m水a。由于m水>m球，故整体处于失重状态，台秤示数减小量为ΔF=m水a-m球a=(m水-m球)a，故N′甲<N甲。同理，乙中小球下降，“水球”上升，二者加速度大小相等，小球失重部分为m球a，“水球”超重部分为m水a。由于m球>m水，故整体失重，乙台秤示数减少量为ΔF=m球a-m水a=(m球-m水)a，故N′乙<N乙。选项B正确。【课堂回眸】第2节科学探究：加速度与力、质量的关系

【实验目的】1.探究加速度与力、质量的关系。2.学会用_________法探索物理规律。控制变量【实验器材】带定滑轮的长木板、薄垫块、小车、细绳、重物(小钩码或沙桶等)、___________、纸带、_________、天平、砝码、_______。打点计时器交流电源刻度尺【实验原理与设计】1.实验的基本思想——控制变量法：(1)变量的控制要求：在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。(2)设计思路。①若讨论加速度与受力的关系时，应控制_____不变；②若讨论加速度与物体质量的关系时，应控制_____不变。质量受力(3)实验思想的拓展。这种控制一些物理量不变，先分别研究待测量与其中一个物理量的关系，再综合解决问题的控制变量法，被广泛应用于科学研究中。2.实验原理：(1)保持小车质量m不变，通过_________的方式改变作用于小车的力F，测出小车相应的加速度a，则可得a与F的关系。(2)保持拉力F不变，通过_______________的方式改变小车的质量m，测出相应的加速度a，则可得a与m的关系。增减重物增减小车上砝码3.实验设计：设计一三个物理量的测量方法——近似法(1)拉力的测量。①平衡小车所受阻力。a.将远离滑轮的一端用薄垫块垫高；b.使小车在不挂重物时能做_____________；匀速直线运动c.这种情况下，小车重力沿斜面向下的分力恰好抵消其_____________________。所受摩擦力及其他阻力②使小车所受拉力等于重物的重力。只有_______________________________时，才可以近似认为重物的重力等于小车的拉力，即F≈m′g。所挂重物的质量远小于小车的质量(2)研究对象质量的测量。①利用天平测出空小车的质量m0和重物的质量m′；②研究对象的质量等于空小车的质量m0与砝码质量之和。(3)加速度的测量。①原理：放在长木板上的小车在细绳恒定拉力作用下做匀加速直线运动，取两段相邻、相等时间内的位移，满足Δx=aT2；②应用刻度尺测量_________________；③利用_______计算对应的加速度大小。计数点之间的距离逐差法设计二数据处理方法——图像法、“化曲为直”法(1)加速度与力的关系：研究加速度a与F的关系时，以加速度a为纵坐标、以力F为横坐标，根据测量数据画图，若图像是_________________，说明a与F成正比。一条过原点的直线(2)加速度与质量的关系：①数据处理：研究加速度a与物体质量m的关系，以加速度a为纵坐标、以物体的质量m为横坐标，画出图像是曲线；②化曲为直：检查a-m是不是双曲线，就能判断二者是否为反比关系，但是判断是否为双曲线，难度较大，若a与m是反比关系，则a与必成_____关系，我们采用“化曲为直”的方法，将a-m图像转变为a-图像。正比【实验过程】一、实验步骤1.安装实验器材：将小车置于带有定滑轮的木板上，将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。2.平衡摩擦力：用薄垫块将木板垫高，调整其倾斜程度，直至小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀即可。3.悬挂重物：在细绳一端挂上重物，另一端通过定滑轮系在小车前端。4.收集纸带数据：小车靠近打点计时器后开启打点计时器，稍后再将小车由静止释放，打点计时器在纸带上打出一系列的点，据此计算出小车的加速度。5.改变小车受力：(1)保持小车的质量不变，通过增加小钩码的数量，增加重物的质量(总质量仍远小于小车质量)；(2)重复步骤4，多做几次实验，并记录好相应纸带的编号及所挂钩码的总重力m2g、m3g…6.改变小车质量：(1)保持重物(小车所受的拉力)不变，通过增加或减少小车上的砝码的方式，改变小车的质量，接通电源后放开小车，用纸带记录小车的运动情况。取下纸带，并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M1；(2)继续在小车上增加砝码，重复前面的步骤，多做几次实验，在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M2、M3…7.求加速度：用公式Δs=aT2或a=，求得小车的加速度a，将得到的数据填入相应表格中，以便进行数据处理。

【思考·讨论】

(1)“平衡”摩擦力的操作过程中要不要挂钩码？为什么？(科学推理)提示：实验操作中，为确保细绳拉力为小车所受合力，故平衡时不需要挂钩码。(2)实验过程中，应从哪几个方面注意操作的安全问题？ (科学态度与责任)提示：①使用打点计时器时，应注意用电安全；②注意避免小车、砝码及重物等的下落造成摔坏器材或砸伤身体。二、数据收集与分析1.列F、a数据收集表：根据实验操作，将小车在不同力作用下产生的加速度填在表中：实验序号12345作用力(钩码的重力)F/N加速度a/（m·s-2）2.作a-F图像的方法：以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a-F图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系。2.作a-F图像的方法：以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a-F图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系。3.列M、a收集表格：把不同质量的小车(小车和砝码)在相同力的作用下产生的加速度填在表中：实验序号12345小车和砝码质量M/kg

加速度a/（m·s-2）4.作a-图像的方法：分别以a为纵坐标、M和为横坐标，根据数据作a-M图像和a-图像，分析a与M的关系。5.实验结论：(1)对同一物体，当物体的质量不变时，物体的加速度与所受力成正比。(2)对不同物体，当力不变时，物体的加速度与质量成反比。

【思考·讨论】在研究加速度与质量的关系时，为什么不作a-M图像，而是作a-图像？ (科学思维)提示：因为a-M图像的图线不是线性关系，不容易判断二者之间遵循的规律，转化为a-图像后，二者之间转化为线性关系，使物理量之间的关系更直观。【误差分析】1.实验原理不完善造成系统误差：(1)产生原因：实验中用钩码的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于钩码的重力)，存在系统误差。(2)钩码质量对误差大小的影响：①定量分析：(说明：此分析可结合下一节内容理解)设小车的质量为M，钩码的质量为m，将二者一起运动时的加速度设为a，以小车和钩码为研究对象，将它们看作一个整体，根据实验结论可得mg=(m+M)a以小车为研究对象，设细线上的拉力为T，则T=Ma联立解得只有当m≪M时，T≈mg②定性分析：钩码的质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，钩码的质量越小于小车的质量，误差就越小。2.测量、操作不够准确造成偶然误差：(1)质量的测量误差。(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。(3)细绳或纸带不与木板平行会造成误差。(4)平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差，该误差使作出的图线在横轴(或纵轴)上产生截距。

【思考·讨论】请从实验原理的角度，通过改变实验器材，讨论改进测量小车所受拉力的方法，减小实验的系统误差。 (科学思维)提示：为了减小由于小车所受拉力而产生的系统误差，可将力传感器和位移传感器的发射器装在运动的小车上，将接收器装在小车运动轨道的末端，并通过数据采集器输入计算机，就可以测出小车所受的拉力位移。类型一实验操作【典例1】用如图所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量m的关系，某位同学设计的实验步骤如下： A.用天平称出小车和托盘及所装重物的质量；B.按图安装好实验器材；C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂托盘及重物；D.将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；E.保持托盘及重物的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的m值，重复上述实验；F.分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G.作a-m关系图像，并由图像确定a与m的关系。(1)该同学漏掉的重要实验步骤是，

该步骤应排在_______步实验之后。

(2)在上述步骤中，有错误的是_______________，应把________________改为。

(3)在上述步骤中，处理不恰当的是_____，应把_____改为_______。

【解题探究】(1)电磁打点计时器对电源的要求是什么？提示：4～6V交流电。(2)为什么作图像时不作a-m图像而作a-图像？提示：a-m图像是双曲线，不能直观地反映两物理量的关系，a-图像是一条直线，直观形象。【解析】(1)实验中把托盘及其中的重物的重力看作小车所受合外力，故在悬挂托盘前必须平衡摩擦力；(2)电磁打点计时器的工作电压为4～6V的交流电，本实验操作中接在6V的蓄电池上时，不能打点；(3)作a-m关系图像，得到的是双曲线的一支，对二者关系很难做出正确判断，必须“化曲为直”，改作a-关系图像。答案：(1)平衡摩擦力B

(2)D

6V电压的蓄电池4～6V交流电压的学生电源(3)G

a-m

a-类型二数据处理【典例2】某同学设计了“探究小车加速度a与小车所受合力F及质量m的关系”实验。如图所示为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细沙的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细沙和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。 (1)如图所示为某同学在实验中打出的一条纸带，他选择了几个计时点作为计数点，相邻两计数点间还有4个计时点没有标出，其中s1=7.06cm、s2=7.68cm、s3=8.30cm、s4=8.92cm，那么打b点的瞬时速度大小是_______m/s；纸带加速度的大小是_______m/s2