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一、教学目标
1.了解超重和失重现象;
2.运用牛顿第二定律研究超重和失重的原因;
3.培养学生利用牛顿第二定律分析问题和解决问题的能力。
二、重点、难点分析
1.超重和失重在本质上并不是物体受到的重力发生了变化,而是物体在竖直方向有加速度时,物体对支持物的压力或拉力的变化,这一点学生理解起来往往困难较大。让学生理解超重和失重的本质是本节课教学的重点之一,也是后面理解航天器中失重现象的基础。
2.超重和失重中物体对支持物的压力和拉力的计算,是牛顿第二定律应用的一个方面,也应作为本节教学的重点之一。
三、教具
演示教具:超重和失重演示装置、弹簧秤、重物、细线、下面扎孔的可乐瓶、录像资料。
学生用具:弹簧秤、钩码、打点计时器用重锤、绣花线。
四、主要教学过程
(一)引入新课
看录像片《航天飞机上的失重现象》《失重物体的运动》。
提问:刚才所看到的录像片是在什么地方发生的?它向我们展示了一种什么现象?
这里给我们展示了失重现象,是在航天飞机中发生的。航天飞机在起飞中产生了超重现象,在太空中又产生了失重现象。超重和失重是怎么产生的呢?这就是我们这节课研究的内容。
(二)教学过程设计
板书:十、超重和失重
我们先来研究一下超重现象。
板书:1.超重现象
实验:介绍装置,架子上有两个滑轮,两边挂有重物。我们取左边的重物加以研究,重物静止时,弹簧秤的示数大小等于物体所受的重力,物体对弹簧秤的拉力等于物体所受的重力。放手后物体做向上的加速运动,我们再观察弹簧秤示数的变化。
提问:看到了什么现象?弹簧秤的示数增大,物体对绳的拉力增大。
以上实验可以用更简单的装置来完成,只不过观察时的效果稍差一些。弹簧秤下挂一重物,物体静止时,弹簧秤的示数等于物体所受的重力。当物体向上做加速运动时,弹簧秤的示数大于物体所受的重力,物体对绳的拉力大于物重。
学生小实验:细线拉重锤(绣花线、打点计时器用重锤)。线系在重锤上,缓慢拉起,再让重锤做向上的加速运动,线断。
分析原因:取物体为研究对象,T-G=ma,T-mg=ma,弹簧秤的拉力为
T=mg+ma=m(g+a)
讨论:(1)物体做向上的加速运动时,弹簧对物体的拉力大于物体静止时的拉力,T>mg,物体对弹簧的拉力大于物重。
举例:起重机在吊起重物时,有经验的司机都不让物体的加速度过大是什么原因?
(2)学生列举生活中的感受:电梯向上起动时,电梯对人的支持力大于静止时的支持力,同样人对电梯的压力也大于物重;电梯下降刹车时也一样。只要物体的加速度方向是向上的,就会产生以上现象。
提问:在电梯中放一弹簧测力秤,人站在上面。当电梯向上加速度运动时秤的示数怎样变化?
(3)整理公式:T=m(g+a)=mg′,g′叫做等效重力加速度,g′>g。站在电梯里的人在电梯向上加速或向下减速时,人对电梯的压力大于人的重力,好像是重力加速度g增大了。火箭起飞时有很大的向上的加速度,内部发生的是超重现象。
当物体存在向上的加速度时,它对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物重的现象叫做超重现象。
发生超重现象时,物重并没有变化。
2.失重现象
实验:重物静止时,弹簧秤的示数大小等于物体所受的重力,物体对弹簧秤的拉力等于物体所受的重力。放手后物体做向下的加速运动,我们再观察弹簧秤示数的变化。
提问:看到了什么现象?弹簧秤的示数减少,物体对支持物的拉力减小。
学生实验:观察感受失重现象。弹簧秤下挂一重物,物体静止时,弹簧秤的示数等于物体所受的重力。当物体向下做加速运动时,弹簧秤的示数小于物体所受的重力。(注意对减速时的示数增大的解释。)
取物体为研究对象,G-T=ma,弹簧秤的拉力为T=mg-ma=m(g-a)
讨论:(1)物体做向下的加速运动时,弹簧对物体的拉力小于物体静止时的拉力,T<mg,物体对弹簧的拉力小于物重。
(2)学生列举生活中的感受:电梯向下起动时,电梯对人的支持力小于静止时的支持力,同样人对电梯的压力也小于物重;电梯上升刹车时也一样。
(3)整理公式:T=m(g-a)=mg′,g′叫做等效重力加速度,g′<g。站在电梯里的人在电梯向下加速或向上减速时,人对电梯的压力小于人的重力,好像是重力加速度g减少了。
失重:当物体存在向下的加速度时,它对支持物的压力(或拉力)小于物重的现象,叫做失重。当a=g时,T=0,叫做完全失重。
发生失重时,物重并没有变化。
实验:在可乐瓶下面扎一些小孔,装上水后水从小孔喷出。把水瓶抛出,喷水情况会怎样变化?分析瓶抛出后,水怎样喷。让学生先分析可能发生的现象,再观察上抛时的现象,下抛的情况让学生回家去做。解释现象出现的原因,抛出后水处于失重状态,对瓶无压力,水不喷。
3.例题
例1关于电梯的几种运动中,支持力的变化情况如何?
速度方向加速度方向支持力与重力
静止:无无=
上升:匀速↑无=
加速↑↑>
减速↑&n
bsp;↓<
下降:匀速↓无=
加减↓↓<
减速↓↑>
思考题:一个在地面上能举起100千克质量杠铃的运动员在一个加速运动的电梯上能举起多大质量的杠铃?a=g,a=g/2,分向上和向下两种加速情况讨论。
(投影)例2:一台升降机的地板上放着一个质量为m的物体,它跟地面间的动摩擦因数为μ,可以认为物体受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力。一根劲度系数为k的弹簧水平放置,左端跟物体相连,右端固定在竖直墙上,开始时弹簧的伸长为△x,弹簧对物体有水平向右的拉力,求:升降机怎样运动时,物体才能被弹簧拉动?
分析:物体开始没有滑动是由于弹簧的拉力小于最大静摩擦力。这里f=μN,只有减小地面对物体的压力才能减少最大静摩擦力,当f=μN=k△x时物体开始滑动。
取物体为研究对象,受力如图,当物体做向下的加速运动或向上的减速运动时,才能使地面对物体的压力减小,即G-N=ma。