【物理课件】运用牛顿定律解决物体运动问题之超重与失重课件

运用牛顿定律解决物体运动问题之超重与失重本课件基于人教版高中物理必修第一册内容，深入探索牛顿运动定律在日常现象中的精彩应用我们将通过丰富的实例和严谨的数学分析，揭示超重与失重现象的物理本质，帮助同学们建立正确的物理概念课程目标1理解物理本质深入理解超重与失重现象的物理本质，掌握其产生的根本原因和表现形式2掌握分析方法熟练运用牛顿运动定律分析超重与失重问题，建立正确的物理思维模式3解决实际问题能够运用所学知识解决与超重和失重相关的物理计算题和实际应用问题认识广泛应用课程内容概览重力与重量的概念辨析明确区分重力和重量两个概念，为后续学习奠定基础超重现象及其分析探讨超重现象的产生条件、数学模型和实际应用失重现象及其分析分析失重现象的物理机制、表现形式和相关应用典型问题解析与练习通过典型例题和综合练习，巩固所学知识和解题方法重力与重量概念回顾重力的本质重力的特点重力是地球对物体的引力，是一重力大小与物体质量成正比，重种基本的相互作用力重力的大力加速度在地球表面约为g小遵循公式，其中为物重力是物体固有的属G=mg m

9.8m/s²体质量，为重力加速度重力性，不因物体的运动状态而改g的方向始终指向地心，这是地球变重力作用在物体的重心上，引力场的基本特征对物体产生向下的作用效果重力的普遍性所有具有质量的物体都会受到地球的引力作用重力是物体能够稳定存在于地球表面的根本原因，也是各种力学现象产生的基础重力的存在使得物体具有重量这一物理量重量的定义重量的含义重量的特征重量的变化性重量是物体受重力作用在正常静止状态下，物与重力不同，重量可能时对支持物的压力或对体的重量在数值上等于随着物体运动状态的改悬挂物的拉力，是重力重力，但两者在物理概变而发生变化当物体的表现形式重量是一念上有本质区别重量处于加速运动状态时，个力的概念，具有大可以通过弹簧秤或天平其重量会表现出超重或小、方向和作用点三要进行测量，是我们日常失重现象，这正是我们素生活中最常接触的力学要重点学习的内容量重力与重量的区别重力的特征重量的特征重力是地球对物体的引力，属于基本相互作用力的范畴重力的重量是物体对支撑物的作用力，是重力的表现形式重量的大小大小仅取决于物体的质量和所处位置的重力加速度，不受物体运会随着物体的运动状态发生变化，特别是在加速运动过程中会出动状态的影响重力始终存在，是物体的固有属性现明显的变化重量是我们能够直接感受和测量的物理量•作用对象物体本身•作用对象支撑物或悬挂物•力的性质引力•力的性质接触力•大小mg（恒定）•大小可变（受运动状态影响）•方向指向地心•方向垂直向下牛顿第二定律回顾方向关系比例关系加速度方向与合外力方向始终加速度大小与合外力成正比，保持一致与质量成反比基本公式单位制，这是描述力与运动关在国际单位制中，加速度的单F=ma系的基本定律位为m/s²超重与失重的物理本质1现象本质超重和失重是物体在加速运动过程中表现出的受力现象，实际上物体的重力并未发生任何变化2表现形式表现为物体对弹簧测力计的拉力或对台秤的压力发生变化，这种变化可以被直接观察和测量3判断标准超重时压力大于重力，失重时压力小于重力，完全失重时压力为零超重现象超重定义物体对支持物的压力大于物体重力的现象称为超重在超重状态下，人会感觉自己变重了，这种感觉在日常生活中的电梯、过山车等场景中经常遇到超重表现超重时，弹簧秤的读数会大于物体的实际重力值人在超重状态下会感到被向下压的感觉，血液向下流动，可能出现头晕等生理反应超重系数超重系数定义为物体所受支持力与重力的比值，当时为超重n n1状态超重系数越大，超重感觉越明显，对人体的影响也越大电梯中的超重分析受力分析1重力向下，支持力向上G N运动分析2电梯向上加速运动时产生向上的加速度牛顿定律应用3根据，得到，因此F=ma N-G=ma N=G+maG超重条件4电梯向上加速或向下减速时出现超重超重的数学模型n G超重系数重力超重系数n=N/G=1+a/g G=mg，物体受到的重力N1支持力超重判据N=mg+ma，物体对支持面的压力当a/g为正值时，n1，出现超重现象超重现象的实例分析一过山车运动分析1过山车在凸起顶部进入下坡段时做圆周运动受力分析2乘客受到重力向下和座椅支持力向上mg N向心力计算3向心，支持力提供向心力N-mg=m·a超重体验4乘客被压在座位上，超重程度与速度和轨道曲率半径相关超重现象的实例分析二飞机拉起水平飞行开始拉起飞机保持水平状态，飞行员处于正常重飞机从水平飞行状态转为上升，产生向力环境心加速度生理影响超重产生超重系数可达，需要专门训练才能座椅支持力增大，飞行员感受到强烈的2-9g适应超重效应超重现象的实例分析三离心机设备原理训练目的离心机通过旋转运动产生向心加速度，模拟超重环境旋转半径航天员需要适应火箭发射和返回过程中的高超重环境通过离心和角速度可以精确控制，从而产生不同程度的超重效应这种设机训练，可以提高人体对超重的耐受能力，预防在实际飞行中出备广泛应用于航天员训练和科学研究中现意识丧失等危险情况•可控加速度范围1-15g•提高超重耐受力•训练时间数分钟到数小时•训练抗荷动作•安全监控实时生理参数监测•心理适应训练超重对人体的影响循环系统影响血液在超重作用下向身体下部集中，心脏负担加重，可能导致脑部供血不足呼吸系统影响胸腔和腹腔受压，膈肌运动受限，呼吸变得困难，氧气摄入量减少视觉系统影响视网膜供血减少，出现灰视和黑视现象，严重时可能暂时失明神经系统影响大脑供血不足可能导致意识模糊甚至丧失，反应能力严重下降超重的应用离心分离利用离心机产生的超重环境分离不同密度的物质，广泛应用于化学、生物和医学实验中血液分离、细胞培养和蛋白质纯化都需要利用超重原理材料测试在超重环境下测试材料的强度和耐久性，模拟极端工作条件航空航天材料、建筑材料和机械零件都需要通过超重测试验证其可靠性娱乐设施过山车、旋转类游乐设施利用超重效应为游客提供刺激体验合理的超重设计既能带来兴奋感，又要确保游客安全失重现象失重定义失重表现物体对支持物的压力小于物体重失重时人会感觉变轻甚至完全力的现象称为失重完全失重漂浮在失重环境中，液体会时，物体对支持物的压力为零，形成球形，粉末会悬浮在空中，表现为漂浮状态失重是相对于人的头发会竖立起来，所有物体正常重力环境而言的一种特殊状都失去了重量感态常见情景自由下落的电梯、跳水运动员在空中、太空中的宇航员、抛物线飞行的飞机内部等都会出现失重现象这些情景的共同特点是物体处于加速下降状态失重的物理本质重力依然存在失重并不意味着重力消失，物体仍然受到地球引力作用特殊受力状态失重是一种特殊的受力状态，物体和支持物同时加速运动自由落体特征物体处于自由落体或类似状态，各部分具有相同加速度支持力为零完全失重时，物体对支持物的压力完全消失电梯中的失重分析完全失重1电梯断缆自由下落，，a=-g N=0部分失重2电梯加速下降，，a-g NG受力分析3重力向下，支持力向上，G N N-G=ma运动状态4电梯向下加速或向上减速时出现失重失重的数学模型失重现象的实例分析一自由落体运动特征1物体仅在重力作用下做自由下落运动加速度分析2自由落体加速度a=-g=-

9.8m/s²受力状况3物体内部各部分同时做相同的加速运动失重表现4物体内部无相对压力，呈现完全失重状态失重现象的实例分析二抛体运动空中运动抛射阶段遵循抛体运动规律，水平和竖直方向分物体被抛出后，仅受重力作用运动失重体验失重状态跳水、跳伞过程中的失重感物体内部各部分做相同加速运动失重现象的实例分析三太空飞行轨道运动机理视在失重原理国际空间站在距地面约公里的轨道上做圆周运动空间站和宇航员和空间站一起做同样的轨道运动，具有相同的向心加速度400内部的宇航员都受到地球引力作用，这个引力提供了维持轨道运由于宇航员相对于空间站没有加速度，因此在空间站a=v²/r动所需的向心力内部的参考系中，宇航员呈现漂浮状态根据万有引力定律，空间站受到的引力，同时这个这种失重实际上是视在失重，因为重力依然存在并提供向心F=GMm/r²力也等于维持圆周运动所需的向心力力，只是宇航员感受不到重力的作用效果F=mv²/r轨道环境中的失重轨道平衡，向心力等于重力mv²/r=mg向心加速度向心，等于重力加速度a=v²/r=g参考系效应在空间站参考系中观察到失重现象失重对人体的影响肌肉萎缩骨质疏松在失重环境中，肌肉不需要对缺乏重力刺激导致骨骼钙质流抗重力，导致肌肉量快速减失加速，骨密度每月下降1-少特别是负重肌群如腿部和这种骨质流失主要发生2%背部肌肉萎缩最为明显，每周在承重骨骼，如脊椎和髋骨，可损失的肌肉质量增加骨折风险1-2%心血管适应心脏不需要对抗重力泵血，心肌逐渐萎缩，血容量减少返回地面后可能出现体位性低血压和运动耐力下降的问题应对太空失重的措施太空运动设备空间站配备专门的运动器械，如跑步机、自行车和阻力训练设备这些设备通过束缚带和负压系统模拟重力环境，帮助宇航员保持身体机能宇航员每天需要进行小时的强制性锻炼

2.5药物和营养干预通过补充维生素、钙质和蛋白质等营养素，配合使用抗骨质疏松药D物，减缓骨质流失同时监测激素水平变化，及时调整营养配方和药物治疗方案地面康复训练宇航员返回地面后需要进行系统的康复训练，逐步恢复肌肉力量和心血管功能康复期通常需要数周到数月时间，期间需要密切监测身体各项指标的恢复情况失重的应用空间制造生物医学研究基础科学实验在微重力环境中可以制微重力环境为细胞培研究流体行为、燃烧过造地面无法生产的特殊养、蛋白质结晶和组织程、相变现象等在微重材料，如超纯金属合工程提供独特条件在力环境下的特殊表现金、完美球形颗粒和特太空中培养的蛋白质晶这些研究有助于深化对殊晶体结构这些材料体质量更高，有助于药基本物理规律的理解，在电子、航空和医疗领物研发和疾病治疗研推动科学理论发展域具有重要应用价值究微重力环境的模拟方法落塔实验抛物线飞行利用高塔让实验装置自由下落，可提供数秒的微重力环境德国飞机按照抛物线轨迹飞行，在轨迹顶部可获得秒的微重力20-30的落塔高度达米，能提供秒的微重力时间这种方法成环境这种方法允许研究人员直接参与实验，观察微重力条件下

1464.74本相对较低，适合短时间实验的现象变化•微重力时间2-10秒•微重力时间20-30秒•重力水平10⁻⁴g-10⁻⁶g•重力水平10⁻²g•应用材料科学、流体物理•应用生物实验、人体适应性研究典型问题分析电梯问题确定运动状态首先明确电梯的运动方向和加速度方向，判断是加速上升、减速上升、加速下降还是减速下降建立坐标系和受力分析选择合适的坐标系，通常以向上为正方向，分析物体受到的重力和支持力应用牛顿第二定律根据建立方程，注意力的方向和加速度方向的符号规定F=ma计算超重或失重系数利用的关系计算超重系数，判断超重或失重的程度n=N/G例题电梯加速上升11题目条件一个质量为的人站在电梯内的弹簧秤上，电梯以的60kg2m/s²加速度向上加速运动，求弹簧秤的读数2受力分析人受到重力向下，弹簧秤支持力向上mg=60×

9.8=588NN3建立方程以向上为正方向，根据牛顿第二定律N-mg=ma4计算结果，超重系数N=mg+a=60×

9.8+2=708N n=708/588≈

1.2例题电梯减速下降2问题描述关键分析结论电梯原本向下运动，现在以的减速下降时，速度向下但加速度向超重系数，物3m/s²n=

12.8m/

9.8m≈

1.31加速度减速下降，分析此时物体的重上根据牛顿第二定律，取向上为正体处于超重状态这说明无论电梯向量变化情况注意减速下降意味着加方向，加速度支持力上还是向下运动，只要加速度向上就a=+3m/s²N速度方向向上会产生超重现象=mg+a=m

9.8+3=

12.8m例题电梯自由下落30-

9.8支持力加速度电梯自由下落时支持力完全消失自由下落加速度a=-g=-

9.8m/s²0失重系数，乘客处于完全失重状态n=0当电梯突然断缆处于自由下落状态时，电梯和乘客都以重力加速度向下加g速根据牛顿第二定律，解得乘客会体验到完全失重N-mg=m-g N=0的漂浮感，这是一种极其危险的情况典型问题分析圆周运动中的超重与失重分析向心力确定圆心确定向心力的方向和大小，向心力总是指向明确圆周运动的圆心位置和半径大小圆心计算压力变化力的合成计算物体对支持面的压力，判断超重或失重分析重力和支持力如何合成提供向心力例题过山车过顶点4例题转弯跑道上的超重5运动分析受力分析赛车在半径为的弯道上以速度行驶，需要向心力维在垂直方向，驾驶员受到重力向下和座椅支持力向上，两200m30m/s mgN持圆周运动向心加速度向心力平衡在水平方向，摩擦力或倾斜力提供向心力a=v²/r=900/200=

4.5m/s²驾驶员主要体验到的是水平方向的离心效应，这不是真正的这个向心加速度相当于，虽然数值不大，但驾驶员会明显超重，而是由于惯性造成的侧向力感受

0.46g感受到侧向力的作用，身体被推向弯道外侧典型问题分析航天飞行中的失重轨道力学分析1分析空间站的轨道运动特征万有引力定律应用2计算轨道高度对应的引力大小圆周运动规律3建立向心力与万有引力的平衡关系失重机理解释4说明宇航员感受失重的物理原因例题国际空间站的失重环境6轨道参数1国际空间站在距地面约的近圆轨道上运行400km引力计算2轨道高度的重力加速度约为地面的90%动力学平衡3万有引力提供向心力GMm/r²=mv²/r失重解释4空间站和宇航员同时做相同的轨道运动，相对静止实验探究超重与失重实验目标实验器材观察和测量超重与失重现象，验证理论弹簧测力计、重物、加速度传感器、数分析结果据采集系统数据分析实验步骤比较测力计示数与静止时的区别，验证上下运动弹簧测力计，同时记录示数变超重失重公式化和加速度实验探究验证超重系数公式传感器设置使用高精度的力传感器和加速度传感器，确保数据的准确性传感器应固定在同一物体上，保证测量的同步性数据采集频率应足够高，能够捕捉快速变化的加速度和力的变化实验操作首先测量静止状态下的重力值作为基准然后进行各种加速运动向上加速、向下加速、向上减速、向下减速每种运动状态持续足够长的时间以获得稳定的数据数据处理绘制支持力与加速度的关系图，验证的线性关系N aN=mg+ma计算不同加速度下的超重系数，验证的理论公n=N/mg n=1+a/g式超重与失重的应用航天发射与返回发射阶段火箭加速上升时，宇航员经历的超重环境，持续约分钟3-4g8-10轨道阶段进入轨道后，宇航员长期处于微重力环境，可持续数月甚至一年返回阶段再入大气层时经历的超重，着陆过程中还会有短暂的冲击6-8g地面恢复返回地面后需要适应重新恢复的重力环境，进行康复训练超重与失重的应用医学研究细胞生物学研究心血管系统研究骨质疏松防治微重力条件下细胞的生超重环境对心血管系统通过研究失重环境下的长、分裂和代谢过程发的影响研究有助于理解骨质流失机制，开发新生显著变化细胞膜通高血压、心律不齐等疾的骨质疏松症治疗方透性、蛋白质合成和基病的发病机制长期失法了解机械刺激对骨因表达都会受到影响，重对心肌萎缩的研究为骼健康的重要性，指导为疾病机理研究提供新心衰治疗提供参考运动康复方案设计的视角常见错误概念澄清关于失重的误解关于太空环境的误解错误观念失重意味着物体没有重力作用，重力消失了这是一错误观念太空中物体漂浮是因为太空中没有重力，距离地球太个非常普遍的误解，许多人认为太空中的物体之所以漂浮是因为远重力消失实际上国际空间站的轨道高度重力仍有地面的没有重力90%正确理解失重是一种特殊的受力状态，重力依然存在并起作正确理解太空中的失重实际是持续自由落体状态空间用太空中的失重是因为物体和参考系都在重力作用下做相同的站和其中的物体都在地球引力作用下做轨道运动，形成动态平加速运动衡综合应用过山车设计轨道几何设计速度控制系统过山车轨道的曲率半径直接影通过控制不同路段的速度来调响向心加速度的大小设计师节超重和失重的程度爬坡段必须精确计算每个转弯和环路降低速度减少超重，下坡段适的半径，确保加速度在安全范当限速避免过度失重制动系围内通常限制最大加速度不统的设计也要考虑减速过程中超过的超重效应4-5g安全保障措施安全带和座椅设计必须能承受最大超重状态下的载荷制Emergency动系统要能在各种运动状态下安全停车医疗应急预案要考虑乘客在极端超重下可能出现的生理反应综合应用航天员训练抛物线飞行体验水下失重模拟乘坐特殊改装的飞机进行抛物线飞行，体验离心机超重训练在大型水池中进行中性浮力训练，模拟太空秒的真实微重力环境这种训练让航20-30使用大型离心机模拟发射和返回过程中的高环舱外活动通过精确配重使航天员在水中天员提前适应失重状态下的身体感觉和操作超重环境训练从低强度开始，逐步增加到处于中性浮力状态，练习太空中的各种操作方式，对心理适应也很重要6-8g的极限超重学习抗荷动作和呼吸技技能虽然不是真正的失重，但能有效模拟巧，提高超重耐受能力训练期间严密监控三维运动的特点心电、血压等生理指标超重与失重的前沿研究长期太空飞行健康研究人工重力技术发展随着载人火星任务的规划，需要深通过旋转产生离心力来模拟重力环入研究长达数年的太空飞行对人体境是目前最可行的人工重力方案的影响骨质流失、肌肉萎缩、心研究重点包括最优旋转半径和角速血管去适应等问题需要创新的预防度、最小有效重力水平、间歇性重和治疗方法基因表达变化和免疫力的效果等环面和Stanford系统功能下降也是重要研究方向圆筒等大型太空居住结构ONeill的工程可行性也在探索中微重力材料科学利用微重力环境的独特条件制造高质量材料，如无容器凝固、蛋白质结晶、纳米材料合成等这些研究不仅推动太空制造业发展，也为地面新材料开发提供思路特别是生物医用材料和电子材料领域前景广阔课堂练习题集基础概念题重力与重量的区别、超重失重的定义和判断条件计算应用题电梯问题、圆周运动问题的定量计算探究分析题实验设计、现象解释和误差分析综合思考题联系实际的应用问题和创新设计。