鲁科版(2019) 必修 第一册 第5章 牛顿运动定律 第5节 超重与失重(含解析)

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鲁科版(2019) 必修 第一册 第5章 牛顿运动定律 第5节 超重与失重(含解析)

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5.5 超重与失重
一、单选题
1.利用智能手机中传感器可绘制出手机的加速度与时间的图像。手机沿竖直方向运动时,得到如图所示的图像,向下为正方向,手机处于失重状态的时刻为( )
A.
B.
C.
D.
2.一体重的同学站在体重计上,下蹲过程中体重计示数如图,则此同学( )
A. 时处于失重状态 B. 时加速度方向向上
C. 时加速度方向向下 D. 时处于超重状态
3.为研究超重、失重现象,某同学在盛水的塑料瓶的侧壁扎了一个小孔,水从小孔喷出,如图所示。时刻,他提着水瓶向上加速运动,时刻松手,时刻水瓶上升到最高点,之后水瓶自由下落。不计空气阻力,下列说法正确的是( )
A. 时间内,没有水从侧壁流出 B. 时间内,水和水瓶处于超重状态
C. 时间内,没有水从侧壁流出 D. 时刻之后,水和水瓶处于超重状态
4.立定跳远是指不用助跑从立定姿势开始的跳远,是集弹跳、爆发力、身体的协调性和技术等方面的身体素质于一体的运动。某同学参加立定跳远项目,从起跳至着地的整个过程如图所示,若不计空气阻力,并将该同学视为质点,则该同学在空中运动的过程中( )
A. 该同学做匀变速运动
B. 该同学先超重后失重
C. 该同学在最高点时速度为零
D. 该同学在向上和向下运动通过空中同一高度时速度相同
5.如图所示,一个人站在“电动平衡车”上在水平地而上沿直线前进,不计空气阻力,下列说法正确的是( )
A. “电动平衡车”匀速行驶时,车对人的摩擦力是人前进的动力
B. “电动平衡车”加速行驶时,车对人的作用力大于人对车的作用力
C. “电动平衡车“减速行驶时,人对车的摩擦力与车的运动方向相同
D. 人从“电动平衡车”跳起后,上升过程处于超重状态,下降过程处于失重状态
6.某测试员应用无人机搭载的加速度传感器进行飞行测试。图甲为在测试软件中设定的、、轴的正方向,其中轴沿竖直方向,无人机开始时沿轴正方向匀速飞行,时刻起该同学进行变速操作,软件生成了图乙中三个维度的加速度时间图像,可以推断的时间内无人机( )
A. 沿轴方向一直加速 B. 沿轴方向一直加速
C. 沿轴方向加速上升 D. 处于失重状态
7.某同学用橡皮筋悬挂智能手机做如下实验:如图甲所示,将橡皮筋上端固定在铁架台上的点,打开手机加速度传感器,同时从点由静止释放手机,获得一段时间内手机在竖直方向的加速度随时间变化的的图像如图乙所示,下列说法正确的是( )
A. 手机在时处于失重状态 B. 手机在时处于超重状态
C. 时橡皮筋恢复到原长 D. 手机的速度最大值约为
8.“蹦极”是一项非常刺激的体育运动。某人身系弹性绳自高空点自由下落,图中点是弹性绳的原长位置,是人所到达的最低点,是人静止悬吊时的平衡位置,空气阻力忽略不计。则人从点下落到最低点的过程中,下列说法正确的是( )
A. 人在段做自由落体运动,位移随时间均匀增加
B. 在段绳的拉力小于人的重力,人处于超重状态
C. 在段绳的拉力大于人的重力,人处于失重状态
D. 在点时人对绳的拉力最大
9.如图甲所示,升降机的顶部装了一个拉力传感器,传感器下方挂上一轻质弹簧,弹簧下端挂一个质量为的小球,在升降机的作用下,小球沿竖直方向从静止开始做直线运动。取竖直向上为正方向,物块的加速度随时间的变化关系如图乙所示,弹簧秤始终在弹性限度内。重力加速度。下列说法正确的是( )
A. 内物块先失重后超重
B. 内物块先超重后失重,速度变化量为零
C. 内物块先失重后超重,末物块的运动方向向下
D. 传感器在末和末的示数相同,小球在末和末速度等大反向
10.根据海水中的盐分高低可将海水分成不同密度的区域,当潜艇从海水高密度区域驶入低密度区域,浮力顿减,称之为“掉深”如图甲所示,我国南海舰队某潜艇在高密度海水区域沿水平方向缓慢航行。时,该潜艇“掉深”,随后采取措施自救脱险,在内潜艇竖直方向的图像如图乙所示设竖直向下为正方向。不计水的粘滞阻力,则( )
A. 潜艇在时下沉到最低点
B. 潜艇竖直向下的最大位移为
C. 潜艇在“掉深”和自救时的加速度大小之比为
D. 潜艇在内处于超重状态
11.年月日神舟十九号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。返回舱在距地面高度打开降落伞,距地面高处台反推发动机同时点火,产生竖直向上的恒定推力,最终以的速度着陆。该过程返回舱运动的图像如图所示,重力加速度,下列说法正确的是
A. ,返回舱内的宇航员处于失重状态 B. ,返回舱的平均速度为
C. 单台发动机的推力约为返回舱重力的 D. 反推发动机的工作时间为
12.如图所示,轻质弹簧的上端固定在电梯的天花板上,弹簧下端悬挂一个小球,电梯中有质量为的乘客,在电梯运行时乘客发现轻质弹簧的伸长量始终是电梯静止时的四分之三,已知重力加速度,由此可判断( )
A. 乘客处于超重状态
B. 电梯可能加速下降,加速度大小为
C. 电梯可能减速上升,加速度大小为
D. 乘客对电梯地板的压力为
二、多选题
13.如图所示为东方明珠广播电视塔,是上海的标志性文化景观之一,塔高约米。游客乘坐观光电梯大约就可以到达观光平台。若电梯简化成只受重力与绳索拉力,已知电梯在由静止开始上升,其加速度与时间的关系如图所示。下列相关说法正确的是( )
A. 时,电梯处于超重状态 B. 时间内,绳索拉力最小
C. 时,电梯处于超重状态 D. 时,电梯速度恰好为
14.如图所示,质量为的物块放在一个静止的木箱内,和木箱水平底面之间的动摩擦因数为,与一根轻弹簧相连,弹簧处于压缩状态弹力大小为,和木箱相对静止。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度取。则以下可以使物块与木箱发生相对滑动的是( )
A. 木箱水平向左加速运动,且加速度等于
B. 木箱水平向右减速运动,且加速度等于
C. 木箱处于失重状态,且加速度等于
D. 木箱处于超重状态,且加速度等于
15.如图所示,在光滑的水平桌面上有一个质量为的物体,通过绳子与质量为的物体相连,假设绳子的质量以及绳子与定滑轮之间的摩擦力都忽略不计,绳子不可伸长,物体与竖直面无摩擦。重力加速度为,则下列说法正确的是( )
A. 物体的加速度大小为 B. 物体的加速度大小为
C. 绳子的拉力为 D. 物体处于失重状态
16.中国自主研发的“攻击”隐身攻击无人机,最大飞行速度接近马赫,最大航程超过公里,作战半径超过公里,能够携带多种精确制导武器,对敌方高价值目标实施精确打击.某次测试中,时刻,无人机由静止开始沿竖直方向做直线运动,以竖直向上为正方向,其速度或加速度随时间的变化规律如图所示为正弦函数图像在时间内,下列说法正确的是
A. 若为图,则时刻速度最大
B. 若为图,则时刻距离出发点最远
C. 若为图,则在时间内无人机先超重后失重
D. 若为图,则与时间内的平均速度相同
17.如图所示,一个质量为的小箱子放在台秤的托盘上,箱内有一质量为的物体,的上端用轻弹簧与箱子的顶部连接,的下端用细线系在箱子的底部,细线绷紧,拉力大小为,整个系统处于静止状态。现将细线剪断,物体向上运动,不计轻弹簧和细线的质量,下列说法正确的是( )
A. 未剪断细线前,台秤读数为
B. 剪断细线的瞬间,台秤读数突然变大
C. 剪断细线的瞬间,物体的加速度为,方向竖直向上
D. 剪断细线后,物体向上运动至最高点的过程中,台秤读数先减小后增大
三、填空题
18.一个质量为的人站在电梯中,电梯减速下降,加速度大小为为重力加速度。人所受到的合力大小为______。此时人处于______选填“超重”或“失重”状态。
四、实验题:本大题共1小题,共9分。
19.某实验小组利用系统在电梯内研究超重和失重现象。他们在电梯地板上放置一个压力传感器,在传感器上放一个物块,如图甲所示。电梯从底层到达顶层的过程中,计算机显示出传感器所受压力大小随时间变化的关系如图乙所示。则从图乙中可以知道该物块的重力为______,物块处于超重状态的时间段为______,处于失重状态的时间段为______。
五、计算题
20.质量是的人站在升降机中的体重计上,如图所示,重力加速度取,当升降机做下列各种运动时,求体重计的示数。
匀速上升;
以的加速度加速上升;
以的加速度加速下降。
21.某科技馆内的空中悬浮的娱乐风洞装置,通过制造和控制向上气流把人“吹”起来,体验太空飘浮的感觉,图为圆柱形竖直管道的简化示意图。现有一位游客悬浮在点,气流突然消失,游客开始做自由落体运动,当下落到点时立即开启更强的气流,使气流对游客的向上冲击力为游客重力的倍,游客下落到点时速度恰好减为零。已知、两点间的高度差,重力加速度。求:
求游客体验到完全失重的时间;
求游客下落过程的平均速度大小。
22.如图所示为一种巨型娱乐器械,可以使人体验超重和失重状态。一个可乘坐二十多人的环形座舱套装在竖直柱子上,由升降机送上几十米的高处,然后让座舱自由落下。落到一定位置时,制动系统启动,到地面时刚好停下。己知座舱开始下落的高度是,当落到离地面的位置时开始制动,座舱做匀减速运动。若座舱中某人的质量为。不计空气阻力。求:
座舱运动的速度的最大值;
座舱运动的总时间;
当落到离地面的位置时,座舱对该人的作用力。
答案和解析
1.【答案】
【解析】、由图像得,在和时刻手机的加速度为零,则手机既不超重,也不失重,故AD错误;
B、由图像得,在时刻手机的加速度为正值,方向与正方向相同,即方向竖直向下,则手机处于失重状态,故B正确;
C、由图像得,在时刻手机的加速度为负值,方向与正方向相反,即方向竖直向上,则手机处于超重状态,故C错误。
故选:。
2.【答案】
【解析】同学的重力是,当体重计的示数大于处于超重状态,加速度方向向上,当体重计的示数小于处于失重状态,加速度方向向下,故、、处于失重状态,加速度方向向下,处于超重状态,加速度方向向上。
故选A。
3.【答案】
【解析】液体之所以能够喷射出来是由于液体的压强,而液体的压强是由于上面的水对地下水的重力产生的压力所致,所以一旦水处于失重状态的时候,这种喷射现象就会消失。依照题意,水处于超重状态, 水处于失重状态。
故选C。
4.【答案】
【解析】A.该同学在空中运动的过程中仅受重力,加速度恒为重力加速度,故做匀变速运动,选项A正确
B.该同学在空中运动的过程中只受重力,加速度为重力加速度,方向向下,故一直处于失重状态完全失重,选项B错误
C.该同学在空中做斜抛运动,在最高点竖直方向速度为零,水平方向速度不为零,故在最高点时速度不为零,选项C错误
D.由对称性可知,在向上和向下运动通过空中同一高度时竖直方向速度大小相等,方向相反,水平方向速度不变,则在向上和向下运动通过空中同一高度时速度大小相等,方向不同,所以速度不同,选项D错误。
5.【答案】
【解析】A.“电动平衡车”匀速行驶时,人的合力为零,竖直方向重力等于支持力,水平方向无摩擦力,故A错误;
B.电动平衡车”加速行驶时,车对人的作用力等于人对车的作用力,因为相互作用力大小相等,故B错误;
C.“电动平衡车”减速行驶时,车对人的摩擦力与车的运动方向相反,根据相互作用力方向相反,知人对车的摩擦力与车的运动方向相同,故C正确;
D.人从“电动平衡车”跳起后,只受重力,加速度一直竖直向下,处于失重状态,故D错误。
故选C。
6.【答案】
【解析】A.由图可知,无人机有沿轴负方向的加速度,所以末由沿轴负方向的速度,的时间内沿轴的加速度为正,则首先沿向负方向速度会减小,故A错误;
B.无人机开始时沿轴正方向匀速飞行,的时间内沿轴的加速度为负,速度减小,故B错误;
的时间内沿轴的加速度向上为正,因为加速度方向为正,无人机加速上升,处于超重状态,故C正确,D错误。
故选C。
7.【答案】
【解析】智能手机开始下落是做自由落体运动,加速度向下为负,所以图像以向上为正方向;
A.手机在时,加速度向上,弹力大于重力,处于超重状态,故A错误;
B.手机在时,加速度向下,弹力小于重力,处于失重状态,故B错误;
C.时加速度为,重力等于弹力,橡皮筋处于伸长状态,故C错误;
D.根据图像与轴围成的面积等于速度的变化量可知:当时间约为时手机的速度最大,图像与轴围成的面积等于个方格的面积,即为,故D正确。
故选D。
8.【答案】
【解析】A.人在段做自由落体运动, ,位移与时间平方成正比,故A错误;
B.是人静止悬吊时的平衡位置,在段绳的拉力小于人的重力,人处于失重状态,故B错误;
C.在段绳的拉力大于人的重力,人处于超重状态,故C错误;
D.是人所到达的最低点,故点速度为零,弹性绳形变量最大,弹力最大,根据牛顿第三定律,在点时人对绳的拉力最大,故D正确。
故选D。
9.【答案】
【解析】A.由题意可知,在,加速度先为正值,方向向上,由牛顿第二定律得得,视重大于物块的实际重力,物块处于超重状态。在,加速度为负值,方向向下,由牛顿第二定律得得,视重小于物块的实际重力,物块处于失重状态,故A错误
B.,加速度为正值,方向向上,物块处于超重状态。,加速度为负值,方向向下,物块处于失重状态。图像中图线与时间轴围成的“面积”为速度的变化量,轴上方面积为正值,轴下方面积为负值,,图像中图线与时间轴围成的“面积”代数和为零。内物块先超重后失重,速度变化量为零,故 B正确
C.内物块先失重后超重。由题意可知,末小球的速度为。物块竖直向上做加速度不变的匀加速直线运动,故末,小球的速度方向沿正方向,故 C错误
D.由,又和两时刻加速度都为,传感器在末和末的示数相同。图像中图线与时间轴围成的“面积”为速度的变化量,物块在速度变化量为零,因此,物块在末和末速度等大同向,故D错误。
故选B。
10.【答案】
【解析】A.在内先向下加速后向下减速,则潜艇向下到达最大深度,故A错误
B.由图像可知潜艇竖直向下的最大位移为,故B正确
C.潜艇在“掉深”时向下加速,则由图像可知加速度大小为,在自救时加速度大小为,故加速度大小之比为,故C错误;
D.潜艇在内向下加速,加速度向下,则处于失重状态,故D错误。
11.【答案】
【解析】A.内,返回舱内的宇航员向下做减速直线运动,加速度方向向上,因此处于超重状态 ,故A错误;
B.,在时间内返回舱做变速运动,则如果做匀变速直线运动则平均速度为,但在内运动的位移比匀变速运动的位移小,故平均速度小于,故B错误;
C.根据最后由得,方向竖直向上,由牛顿第二律得得故C错误;
D.根据可得反推发动机的工作时间为,故D正确。
12.【答案】
【解析】A.因为乘客发现轻质弹簧的伸长量始终是电梯静止时的四分之三,弹力小于小球的重力,加速度向下,则乘客处于失重状态,A错误;
根据牛顿第二定律
解得
方向向下,电梯可能减速上升或者加速下降,C错误,B正确;
D.根据牛顿第二定律
解得
根据牛顿第三定律可知,乘客对电梯地板的压力为,D错误。
故选B。
13.【答案】
【解析】A.因为电梯从静止开始上升,结合图像可知,加速度为正时表示加速度向上。所以当时电梯的加速度向上,此时电梯处于超重状态,故A正确;
B.内,电梯加速度方向向上,电梯处于超重状态,绳索的拉力大于电梯的重力;而内,电梯的加速度为,处于平衡状态,绳索的拉力等于电梯的重力;内,电梯的加速度向下,电梯处于失重状态,绳索的拉力小于电梯的重力,所以内绳索的拉力不是最小的,故B错误;
C.由图像可知,当时加速度为负值,说明电梯的加速度向下,此时电梯处于失重状态,故C错误;
D.图像与坐标轴围成的面积表示速度变化量,由几何知识可得内图像与时间轴围成的面积为,所以速度的变化量为,而电梯的初速度为,所以时,电梯的速度恰好为,故D正确。
14.【答案】
【解析】木箱水平向左加速运动或水平向右减速运动时,最大静摩擦力等于滑动摩擦力
弹簧处于压缩状态,弹簧的水平弹力大小为,则物块相对木箱不滑动、物块能获得外力提供的最大加速度为
,故A错误;故B正确;
C.木箱处于失重状态,加速度等于时,由牛顿第二定律有
,代入数据解得物块受到木箱的支持力
则最大静摩擦力,物块与木箱会发生相对滑动,故C正确;
D.木箱处于超重状态,且加速度等于时,由牛顿第二定律有
,代入数据解得物块受到木箱的支持力
则最大静摩擦力,物块不会相对木箱滑动,故D错误。
故选:。
15.【答案】
【解析】连在一起,加速度大小相同;对整体分析
解得,
故A错误,B正确;
C.对物体,根据牛顿第二定律
解得,故C错误;
D.物体加速度向下,则处失重状态,故D正确。
故选BD。
16.【答案】
【解析】若为图,时间内先做加速度增加的加速运动,后做加速度减小的加速运动,时刻速度达到最大,时间内先做加速度增大的减速运动,后做加速度减小的减速运动,时刻速度减为零,此过程一直向上运动,时刻距离出发点最远,故A错误,B正确
C.若为图,则在时间内无人机先向上加速再向上减速,先超重后失重,故C正确
D.若为图,时间内与时间内的平均速度大小相等方向相反,故D错误.
17.【答案】
【解析】未剪断绳子前,对小球和箱子整体分析,得台秤示数,故A正确;
剪断细线前,对小球受力分析,剪断细线的瞬间,对小球受力分析,得,方向竖直向上,由此可知,小球向上做加速后减速,整个系统先处于超重后处于失重,故台秤读数先变大后变小,故BC正确,D错误。
故选:。
18.【答案】;超重
【解析】对人受力分析,受重力和电梯的支持力,加速度向上,根据牛顿第二定律:
故F;
因电梯减速下降,人具有向上的加速度,故人处于超重状态;
故答案为:; 超重
19.【答案】
【解析】电梯启动前处于静止状态,传感器受到的压力大小等于物块的重力大小,故物块的重力为。
时间内,传感器受到的压力大于物块重力,物块处于超重状态。
时间内,传感器受到的压力小于物块重力,物块处于失重状态。
答:;;。
当物体具有向上或向下的加速度,根据牛顿第二定律可得物体重力与支持力大小关系,再作答。
要能从图像中获取有用信息,如传感器的示数是否发生变化,如何变化的等,再根据牛顿定律就能得出正确的结果。
20.【解析】匀速上升时,由平衡条件得,
由牛顿第三定律得人对体重计压力为,
即体重计示数为。
加速上升时,由牛顿第二定律得

由牛顿第三定律得人对体重计压力为,即体重计示数为。
加速下降时,由牛顿第二定律得

由牛顿第三定律得人对体重计压力为,即体重计示数为。
答:匀速上升时,体重计的示数为;
以的加速度加速上升时,体重计的示数为;
以的加速度加速下降时,体重计的示数为。

21.【答案】下落内做自由落体运动,处于完全失重状态,
根据
解得时间为:;
速度,末速度,
根据牛顿第二定律知加速度为:,
根据速度位移关系知、两点间的高度差为:,
到的时间为:,
游客下落过程的平均速度为:。
22.【解析】座舱开始制动时速度最大,座舱做自由落体运动的过程中下降的高度,根据,得
自由落体时间
减速阶段加速度大小为,有
解得,
运动总时间
离地时,还处于自由落体阶段,完全失重,人对座舱的压力为.
第9页,共16页

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