高考物理必修知識點(diǎn)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(xué)習(xí)目標(biāo)】 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(jìn)行定量地分析。 【要點(diǎn)梳理】 要點(diǎn)一、超重與失重 (1)提出問題 你乘過垂直升降式電梯嗎?當(dāng)電梯開始啟動(dòng)上升時(shí)，你會(huì)心慌同時(shí)也會(huì)充分體驗(yàn)到“腳踏實(shí)地”的感覺，電梯即將停止上升時(shí)，則會(huì)頭暈同時(shí)有種“飄飄然”的感覺，這就是失重和超重造成的． (2)實(shí)重與視重 ①實(shí)重：物體實(shí)際所受的重力．物體所受重力不會(huì)因物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變而變化．②視重：當(dāng)物體在豎直方向上有加速度時(shí)(即a≠0)，物體對彈簧測力計(jì)的拉力或?qū)ε_(tái)秤的壓力將不等于

2、物體的重力，此時(shí)彈簧測力計(jì)或臺(tái)秤的示數(shù)叫物體的視重． 【說明】正因?yàn)楫?dāng)物體在豎直方向有加速度時(shí)視重不再等于實(shí)重，所以我們在用彈簧測力計(jì)測物體重力時(shí)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)在靜止或勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行． (3)超重和失重現(xiàn)象 ①超重現(xiàn)象：當(dāng)人在電梯中開始上升時(shí)，感覺對底板的壓力增大，即當(dāng)物體具有豎直向上的加速度時(shí)，這個(gè)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(dāng)用力提彈簧使重物加速上升時(shí)，彈簧伸長，彈力就會(huì)變大，這就是一種超重現(xiàn)象． ②失重現(xiàn)象：當(dāng)人在電梯中開始下降時(shí)，感覺對底板的壓力減小，即當(dāng)物體具有向下的加速度時(shí)，

3、這個(gè)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(diǎn)加速下移時(shí)，彈簧會(huì)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(shí)大時(shí)?。幱谄胶鉅顟B(tài)時(shí)，物體所受的重力大小等于支持力或拉力，但當(dāng)物體在豎直方向上做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(shí)，物體不一定是豎直向上做加速運(yùn)動(dòng)，也可以是豎直向下做減速運(yùn)動(dòng)．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(yùn)動(dòng)方向可能向上，也可能向下． 同理，物體處于失重狀態(tài)時(shí)，物體的加速度豎直向下，物體既可以做豎直向下的加速運(yùn)動(dòng)，也可以做豎直向上的減速運(yùn)動(dòng)． c．物體不在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，只要其加速度在豎直方向上有分量，即≠0時(shí)，則當(dāng)方向豎直向上時(shí)，物體處于超重狀態(tài)；當(dāng)方向豎直向下時(shí)，物體處于失重狀念． d．當(dāng)物體正好以向下的大小為g的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)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(jì)不能使用、小球不會(huì)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(diǎn)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?yàn)檎较?，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(shí)注意物體具有向上(或向下)的加速度與物體向上運(yùn)動(dòng)還是向下運(yùn)動(dòng)無關(guān)． (2)對連接體問題的求解，如測力計(jì)、臺(tái)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，而導(dǎo)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(jìn)行受力分析，再通過對系統(tǒng)整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析推理而得出結(jié)論固然可以，但繁瑣費(fèi)力．如果從整體觀點(diǎn)出發(fā)，用系統(tǒng)的重心發(fā)生的超重、失重現(xiàn)象進(jìn)行分析判斷，則會(huì)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(xué)乘電梯從一樓到六樓，在電梯剛啟動(dòng)時(shí)（ ） A． 該同學(xué)

7、處于超重狀態(tài) B． 該同學(xué)處于失重狀態(tài) C． 該同學(xué)的重力變大 D． 該同學(xué)的重力變小 【答案】A 【解析】 A 、某同學(xué)乘電梯從一樓到六樓，在電梯剛啟動(dòng)時(shí)，向上做加速運(yùn)動(dòng)，加速度向上，處于超重狀態(tài)，故A正確，B錯(cuò)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(cuò)誤。 【點(diǎn)評】當(dāng)物體的加速度豎直向上時(shí)，物體處于超重狀態(tài)，當(dāng)物體的加速度豎直向下時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)小鐵球，在電梯運(yùn)行時(shí)，乘客發(fā)現(xiàn)彈簧的伸長量比電梯靜止時(shí)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(shí)，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(yùn)動(dòng)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(jì)稱得其體重為490 N．他將彈簧測力計(jì)移至電梯內(nèi)稱其體重

9、，t0至t3時(shí)間段內(nèi)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)如圖所示，電梯運(yùn)行的v－t圖可能是(取電梯向上運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)檎?(　　) 【思路點(diǎn)撥】t0～t1時(shí)間內(nèi)彈簧測力計(jì)的示數(shù)小于重力，失重；t1～t2時(shí)間內(nèi)彈簧測力計(jì)的示數(shù)等于重力，平衡；t2～t3時(shí)間內(nèi)彈簧測力計(jì)的示數(shù)大于重力，超重； 【答案】AD 【解析】由G－t圖象知：t0～t1時(shí)間內(nèi)失重，具有向下的加速度，t1～t2時(shí)間內(nèi)勻速或靜止，t2～t3時(shí)間內(nèi)超重具有向上的加速度，因此其運(yùn)動(dòng)情況可能是：t0～t3時(shí)間內(nèi)，故A、D正確． 【點(diǎn)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(jì)，電梯靜止時(shí)，曉敏同學(xué)站在體重計(jì)上，體重計(jì)示數(shù)為50 kg，電梯運(yùn)動(dòng)過程中，某一段時(shí)間內(nèi)曉敏同學(xué)發(fā)現(xiàn)體重計(jì)示數(shù)如圖所示．在這段時(shí)間內(nèi)下列說法中正確的是(　　) A．曉敏同學(xué)所受的重力變小了 B．曉敏對體重計(jì)的壓力小于體重計(jì)對曉敏的支持力 C．電梯一定在豎直向下運(yùn)動(dòng) 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(jì)示數(shù)變小了，說明該同學(xué)處于失重狀態(tài)，但所受重力并不變小，A錯(cuò)；壓力與支持力是一對相互作用力，大小相等，B錯(cuò)；電梯的加速度一定向下，但不一定向下運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)；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(jì)上．電梯從s＝0時(shí)刻由靜止開始上升，在0到6s內(nèi)體重計(jì)示數(shù)F的變化如圖所示．試問：在這段時(shí)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(shí)間內(nèi)，體重計(jì)的示數(shù)大于mg，故電梯應(yīng)做向上的加速運(yùn)動(dòng)．設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)體重計(jì)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(shí)間內(nèi)電梯上升的高度 ② 在t1到t2＝5s的時(shí)間內(nèi)，體重計(jì)的示數(shù)等于mg，故電梯應(yīng)做勻速上升運(yùn)動(dòng)，速度為t1時(shí)刻電

12、梯的速度，即 在這段時(shí)間內(nèi)電梯上升的高度 ④ 在t2到t3＝6s的時(shí)間內(nèi)，體重計(jì)的示數(shù)小于mg，故電梯應(yīng)做向上的減速運(yùn)動(dòng)．設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)體重計(jì)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(shí)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(tái)秤的托盤上，用固定在容器底部的細(xì)線使小木塊懸浮在水中．當(dāng)剪斷細(xì)線，木塊加速上升時(shí)，臺(tái)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(cuò)誤請指明錯(cuò)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(xì)繩剪斷時(shí)，木塊仍在水中，系統(tǒng)仍為一個(gè)整體，只是內(nèi)力改變了，故而臺(tái)秤的示數(shù)不變． 解法二：細(xì)繩剪斷時(shí)，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(tái)秤讀數(shù)變大． 【思路點(diǎn)撥】因?yàn)槟緣K的密度小于水的密度，當(dāng)剪斷細(xì)繩時(shí)，木塊會(huì)向上加速運(yùn)動(dòng)．與此同時(shí)，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(yùn)動(dòng)，從而填補(bǔ)木塊占據(jù)的空間，整個(gè)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(cuò)誤地認(rèn)為剪斷細(xì)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(jì)的讀數(shù)不變．此處只考慮了木塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而忽略了水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，犯了片面性的錯(cuò)誤． 對于“解法二”，只單一的分析了木塊由于加速上升而導(dǎo)致的超重現(xiàn)象，而遺漏了對水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析，誤認(rèn)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(tái)秤的讀數(shù)變大”的錯(cuò)誤結(jié)論． 其實(shí)，正確的解答是： 因?yàn)槟緣K的密度小于水的密度，當(dāng)剪斷細(xì)繩時(shí)，木塊會(huì)向上加速運(yùn)動(dòng)．與此同時(shí)，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(yùn)動(dòng)，從而填補(bǔ)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(gè)系統(tǒng)將處于失重狀態(tài)．故臺(tái)秤的示數(shù)必將變?。? 【點(diǎn)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化特點(diǎn)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(dāng)桶內(nèi)盛水時(shí)，水會(huì)從小孔A中流出．如果讓裝滿水的小桶自由下落，不計(jì)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(huì)流出。 【高清課程：超重和失重 例題2】 【變式2】如圖所示，一個(gè)盛水的容器底部有一小孔．靜止時(shí)用手指堵住小孔不讓它漏水，假設(shè)容器在下述幾種運(yùn)動(dòng)過程中始終保持平動(dòng)，且忽略空氣阻力，則( ) A．容器自由下落時(shí)，小孔向下漏水 B．將容器豎直向上拋出，容器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，小孔向下漏水；容器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，小孔不向下漏水 C．將容器水平拋出，容器在運(yùn)動(dòng)中小孔向下漏水 D．將容器斜向上拋出，容器在運(yùn)動(dòng)中小孔

17、不向下漏水 【答案】D 【解析】題中幾種運(yùn)動(dòng)，對整體分析，都只受重力作用，運(yùn)動(dòng)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(huì)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(dāng)電磁鐵通電，鐵片被吸引上升的過程中，臺(tái)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(jì)；②天平；③水銀氣壓計(jì)；④密度計(jì)；⑤溫度計(jì)．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(shí)，平常由重力產(chǎn)生的一切物理現(xiàn)象都會(huì)完全消失，天平是一個(gè)等臂杠桿，利用了重力；水銀氣壓計(jì)利用了水銀重力產(chǎn)生的壓強(qiáng)；密度計(jì)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(jì)、密度計(jì)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(jì)稱重物，讀數(shù)為零，但不能誤認(rèn)為彈簧測力計(jì)在太空站內(nèi)無法使用．彈簧測力計(jì)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(huì)改變，故彈簧測力計(jì)在太空站內(nèi)可以使用．而溫度計(jì)測量溫度與重力的有無是沒有關(guān)系的，故溫度計(jì)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(jī)，在正常航線上做水平飛行時(shí)，突然受到強(qiáng)大垂直氣流的作用后，飛機(jī)在l0s內(nèi)高度下降1700m，造成眾多乘客和機(jī)組人員的受傷事故．如果只研究飛機(jī)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，且假定這一運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，試計(jì)算： （1）飛機(jī)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(dāng)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(jī)艙將向什么方向運(yùn)動(dòng)?最可能受到傷害的是人體的什么部位?（注：飛機(jī)上乘客所系的安全帶是固定連接在飛機(jī)座椅和乘客腰部的較寬的帶子，它使乘客與飛機(jī)座椅連在一起．） 【答案】34m/s2，方向豎直向下；2.4；人相對于飛機(jī)向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)使頭部受到嚴(yán)重傷害