人教版 (2019)必修 第二册4 生活中的圆周运动优秀课件ppt

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1.会分析火车转弯、汽车过拱形桥等实际运动问题中向心力的来源，能解决生活中的圆周运动问题.2.了解航天器中的失重现象及原因.3.了解离心运动及物体做离心运动的条件，知道离心运动的应用及危害
同学们，你们了解有关高铁技术的一些参数么？观察下表，试找出高铁时速与最小曲线半径的规律？
在铁路弯道处，内、外轨道的高度一样吗？
正常行驶时，火车轨道的内外轨是一样高的。如果在火车转弯时，火车在这样的轨道上行驶会发生什么？
外轨对轮缘的弹力F提供向心力F=F向
火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨.
如果外轨略高于内轨，情况又如何呢？
再以火车为研究对象进行受力分析，确定提供的向心力大小
通过对比发现，如果使外轨略高于内轨，火车转弯时铁轨对火车的支持力与重力的合力指向圆心，提供了一部分向心力，这就减轻了轮缘与外轨间的挤压。
先确定轨道平面，是1，还是2？
我们如何计算这种情况下的向心力呢？
火车转弯的临界速度的推导
我们先假设火车某次过倾角为θ的弯道时，火车与轨道之间没有挤压，求此时的速度v0：
火车转弯的向心力由重力与轨道对火车的支持力提供
火车转弯时速度和轮缘与轨道之间的相互作用
由以上分析可以看到，根据弯道半径和规定的行驶速度，选择合适的内外轨的高度差h ,可以使火车转弯时所需向心力几乎完全由重力和支持力的合力提供
（3）如果火车行驶速度v（2）如果火车行驶速度v>v0
轮缘受到外轨向内的挤压力, 外轨易损坏。
（1）如果火车行驶速度v=v0
轮缘不受侧向压力,最安全的转弯速度
轮缘受到内轨向外的挤压力, 内轨易损坏。
铁路弯道处超速是火车脱轨和翻车的主要原因
观看视频。高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的斜度。说说这样设计的原因？
火车转弯可近似看成是做匀速圆周运动。当火车以规定速度行驶时，内外轨道均不受侧向挤压。现要降低火车转弯时的规定速度，须对铁路进行改造，从理论上讲以下措施可行的是(　　)A．减小内外轨的高度差B．增加内外轨的高度差C．减小弯道半径D．增大弯道半径
二、汽车过拱形桥和凹形桥
生活中，常见桥有很多种，下面先讨论经过拱形桥的情景。
质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，试画出受力分析图，分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力．
由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力：
下面先讨论经过凹形桥的情景。
下面自己分析汽车通过凹形桥最低点时，汽车对桥的压力比汽车的重力大些还是小些?
由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力
有一辆质量为800千克的小汽车驶上圆弧半径为50米的拱桥。（1）汽车到达桥顶的速度为5米/秒，汽车对桥的压力多大?（2）汽车以多大速度经过桥顶时恰好腾空，对桥没有压力？（3）对于同样的车速，拱形圆弧的半径大些比较安全，还是小些比较安全？（4）如果拱形桥的半径增大到与地球半径R一样，汽车要在桥面上腾空，速度要多大？
（1）7600N (2)22.4米/秒 （3）半径越大越安全 （4）8000米/秒
地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径.会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？……
该“问题探究”中描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中．
三、航天器中的失重现象
航天器在发射升空（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？
航天器在轨道正常运行（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？
航天器绕地球做匀速圆周运动，假设它的线速度的大小为v ，轨道半径近似等于地球半径R ，航天员受到的地球引力近似等于他在地面测得的体重mg .
有人把航天器失重的原因说成是它离地球太远，从而摆脱了地球引力，这种说法对吗？
上述观点是错误。正是由于地球引力的存在，才使航天器连同其中的人和物体环绕地球做圆周运动。若没有引则不会绕地球做圆周运动。
当 时，座舱对航天员的支持力为多少？
从视频中我们可以看到，如果旋转桌子的速度较小，物品能随着桌子一起转动；如果速度变大，物体将会“飞出去”，这是什么原因呢？
将生活中的场景，抽象为物理模型
静摩擦力提供了向心力，如果最大静摩擦力等于滑动摩擦力
当v>v0，合力不足以提供物体做圆周运动的向心力，物体将远离圆心，而 “飞出去”。
F合 = mω2r，物体做匀速圆周运动
F合＜mω2r ，物体做逐渐远离圆心的运动
F 合= 0 ，物体沿切线方向飞出远离圆心
定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不 足以提供圆周运动所需的向心力时，做逐渐远离圆心的 运动，这种运动叫做离心运动.
要使原来作匀速圆周运动的物体作离心运动，该怎么办？
（1）提高转速，使所需向心力增大到大于物体所受合外力.
（2）减小合外力或使其消失.
在水平公路上行驶的汽车，转弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的.如果转弯时速度过大，所需向心力Fn大于最大静摩擦力Fmax （Fmax不足以提供向心力），汽车将做离心运动而造成交通事故.因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度.
要防止离心现象发生，该怎么办？
（1）减小物体运动的速度，使物体作圆周运动时所需的向心力减小.
（2）增大合外力，使其达到物体作圆周运动时所需的向心力.
有一辆质量为2000千克的汽车在水平公路上行驶，轮胎与路面间的最大静摩擦力为14000牛顿。汽车经过半径为50米的弯路时，如果车速达到72千米/小时，这辆车会不会发生侧滑？
五、竖直面内圆周运动的临界问题
“水流星”是我国传统的杂技节目，演员将盛水的容器用绳子拴住，在空中如流星般快速舞动，同时表演高难度的动作。你知道水为什么洒出来吗？
竖直平面内的圆周运动，一般情况下是变速圆周运动，物体能否通过最高点是有条件的。
轻绳（或内轨道）——小球组成无支撑的物理模型（称为“轻绳模型”）
注：“轻绳”只能对小球产生拉力，不能产生支持力。（内轨道约束类似）
假设质量为m的小球达到最高点时的速度为v,受到绳子的拉力为T，则根据牛顿第二定律，可以得出
当T=0时，小球再做高点的速度为最小，即：
轻绳（或内轨道）—无支撑的物理模型（称为“轻绳模型”）
（1）小球恰好能达到最高点的临界条件是：
小球在最高点时，绳子恰好对小球没有力的作用
（2）小球恰好能通过最高点的条件是 ： ， 当 绳子有拉力（轨道对球有压力）。
（3）当 ，小球还未达到最高点就离开轨道。
轻杆（或管道）—有支撑的物理模型（称为“轻杆模型”）
注：“轻杆”既能对小球产生拉力，也能产生支持力。（管道约束类似）
球过最高点时，设轻杆对小球产生的弹力FN方向向上。由牛顿第二定律得：
由此可知：弹力FN的大小和方向随着经最高点时速度v的大小的变化而变化。
（1）小球恰好能达到最高点的临界条件是： ， 故而v0>0就可以通过最高点。
（2） 当 ，FN为支持力，方向竖直向上，且随着速度增大而减小。
（3）当 ，FN=0
（4）当 ，FN为拉力，方向竖直向下，且随着速度增大而增大。
如图所示，一个小球沿竖直固定的光滑圆形轨道的内侧做圆周运动，圆形轨道的半径为R，小球可看作质点，则关于小球的运动情况，下列说法正确的是（ ） A. 小球的线速度方向时刻在变化，但总在圆周切线方向上B. 小球通过最高点的速度可以等于0C. 小球线速度的大小可以小于 D. 小球线速度的大小总大于或等于
1．讨论向心力的来源2．外轨高于内轨时重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力3．讨论：为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制?
1．离心现象的分析与讨论．2．离心运动的应用和防止．
1．思考：汽车过拱形桥时，对桥面的压力 与重力谁大?2．圆周运动中的超重、失重情况．
竖直面内圆周运动的临界问题
1．轻绳模型2．轻杆模型
1、铁路在弯道处的内外轨道高度是不同的，已知内外轨道平面与水平面的夹角为θ，如图所示，弯道处的圆弧半径为R，若质量为m的火车转弯时速度等于，则(　　)A．内轨对内侧车轮轮缘有挤压B．外轨对外侧车轮轮缘有挤压C．这时铁轨对火车的支持力等于mg/cs θD．这时铁轨对火车的支持力大mg/cs θ
2、如图所示，汽车在炎热的夏天沿不平的曲面行驶，其中最容易发生爆胎的点是(假定汽车运动速率va＝vc，vb＝vd)(　　)A．a点 B．b点 C．c点 D．d点
4、如图所示，在匀速转动的洗衣机脱水筒内壁上，有一件湿衣服随圆筒一起转动而未滑动，则(　　 )A．衣服随脱水筒做圆周运动的向心力由衣服的重力提供B．水会从脱水筒甩出是因为水滴受到的向心力很大C．加快脱水筒转动角速度，衣服对筒壁的压力增大D．加快脱水筒转动角速度，脱水效果会更好
5、某人为了测定一个凹形桥的半径，在乘汽车通过凹桥最低点时，他注意到车上的速度计示数为72km/h，悬挂1kg钩码的弹簧秤的示数为11.8N，则桥的半径为多大?（g取9.8m/s2）