师:同学们好,今天我们一起来学习粤教版必修一高一物理失重和超重。下面请同学们观察实验视频,看看站在体重计上的人在经历静止、下蹲和站起的过程中,体重计的示数会如何变化。
(播放视频后)
师:通过刚刚的视频,大家观察到人在静止、下蹲和站起的过程中,体重计如何变化了吗?
生:人静止时示数不变,下蹲过程先变小后变大,站起过程先变大后变小。
师:王同学观察得非常认真。我们观察到人静止时体重计的示数保持不变,人在下蹲的过程中,体重计的示数先减小后增大。人在站起的过程中,测力计的示数先增大后减小。那么测力计的示数到底是由哪个力来决定的呢?
生:体重计的示数是由人对体重计的压力来决定的。
师:那人静止的时候,体重计的示数为什么不变呢?
生:因为人的质量和重力加速度没有改变,所以人的体重没有改变。
师:很好。测力计的示数反映了人对测力计压力的大小。人在下蹲和站起的过程中都经历了由静止到运动和由运动到静止的两个运动阶段。那么在下蹲过程中体重计的示数先变小再变大,说明了人对体重计的压力先小于重力,然后再大于重力。人在站起的过程中,测力计的示数是先增大再减小,说明人对测力计的压力先大于重力,再小于重力。我们把物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力小于物体所受重力的现象称之为失重。把物体对支撑物的压力或对悬挂物的拉力大于物体所受重力的现象称为超重。那么究竟是什么原因引起的失重或超重现象呢?是在下蹲和站起过程中,人的体重发生改变引起的吗?
生:不是,下蹲和站起过程中人的体重都没有发生变化。
师:小明同学分析得很好,人的体重没有发生变化,那说明超重失重现象与人的体重无关。那是运动的方向引起的超重失重吗?只要下蹲,体重计的示数就会小于重力,上升体重计的示数就会大于重力吗?通过我们的表格归纳,大家可以看出来,似乎也没有直接对应的关系,那会是什么原因呢?我们尝试着从静止到运动,运动到静止,也就是人的运动状态发生改变来探究一下。当人保持静止时,加速度为零,所以压力等于重力,不超重也不失重。
在下蹲的过程中,实际上有两个过程,一个是加速下蹲,一个是减速下蹲的过程。那么在加速下蹲的时候加速度向下,减速下蹲的时候加速度向上。在站起的过程中也经历了两个过程,一个是加速上升,一个是减速上升。在加速上升的过程中加速度向上,在减速上升的时候加速度向下。那我们可以观察一下加速度的方向与超失重之间的关系。当加速度方向向下时,物体经历的是失重过程,当加速度方向向上时,产生了超重的现象。现在我们大概可以得出这样一个结论,原来发生超重失重现象的根本原因是因为在竖直方向的速度发生了变化,也就是存在竖直方向上的加速度。这是我们根据实验数据推理归纳得出的结论,还需要理论支撑和进一步的实验验证。
接下来我们根据牛顿运动定律来进行理论论证。当人保持静止时,根据牛顿第二定律合外力为零,那么这个时候的支持力和重力的大小相等,人处在不超重也不失重的状态。当人加速下降或减速上升时,加速度的方向向下,人受到的合外力向下,那么这个时候的支持力是小于它的重力的。根据牛顿第三定律,人对台秤的压力也就会小于它的重力,出现了失重现象。当人减速下降或加速上升时,加速度的方向向上。根据牛顿第二定律,那么人所受的合力向上,受到的支持力就要大于他所受到的重力。根据牛顿第三定律,那么人对台秤的压力也就要大于它所受到的重力,这个时候就出现了超重现象。可见从理论上我们确实也论证了在竖直方向出现了速度的变化,就是造成失重和超重现象的根本原因。接下来我们进一步通过实验来论证一下,接下来我们通过力的传感器来验证失重和超重现象,请同学们观看视频。
