高中物理人教版 (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.通过观察模型了解火车车轮的特点,会分析火车转弯时向心力的来源。(科学思维)2.通过对向心力公式的推导分析汽车过拱形桥时的受力和过凹形路面的最低点时的受力、理解航天器中的失重现象。(科学思维)3.分析生产、生活和航天科技中的圆周运动现象,培养运用概念、规律解释现象和解决问题的能力,增强责任心和使命感。(科学态度与责任)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
一、火车转弯1.火车在弯道上的运动特点火车在弯道上运动时实际上在做　　　　　　　　,因而具有　　　　加速度,由于其质量巨大,因此需要很大的向心力。 
2.火车转弯时向心力的来源分析(1)若转弯时内外轨一样高,火车转弯时,外侧车轮的轮缘挤压外轨,火车的向心力由外轨对车轮轮缘的 　　提供(如图所示),由于火车的质量很大,转弯所需的向心力很大,铁轨和车轮极易受损。 
车轮与车轨有两个接触面
(2)若转弯时外轨略高于内轨(如图所示),根据转弯处轨道的半径和规定的行驶速度,适当调整内外轨的高度差,使转弯时所需的向心力几乎完全由  和　　　　　　的合力提供,从而减轻外轨与轮缘间的挤压。 
三、航天器中的失重现象1.向心力分析:航天员受到的　　　　　　　与　　　　　　　　　　的合力为他提供向心力。　　　　= 。 
2.失重状态:当v= 时,座舱对航天员的支持力为零,航天员处于完全失重状态。
四、离心运动1.定义:做圆周运动的物体沿着　　　　飞出或做逐渐远离圆心的运动。　　　　　　　　　　　　　　　　　2.原因:向心力突然　　　　或合力　　　　　　　　　　　　　　。 3.离心运动的应用和防止(1)应用:洗衣机的脱水筒;离心干燥器;离心制管技术;分离血浆和红细胞的离心机。(2)防止:转动的砂轮、飞轮的转速不能太高;在公路弯道,车辆不允许超过　　　　　　　　。 
不足以提供所需的向心力
情境链接游乐场的旋转盘上,开始时有的人离转轴近一些,有的人离转轴远一些。当旋转盘加速时,哪些人更容易发生滑动?为什么?
提示 离转轴远一些的人更容易发生滑动。由μmg=mω2r可知,ω= ,可见随着旋转角速度的增加,离转盘中心轴远一些(r大)的人最先达到刚要滑动的临界状态。
教材拓展看教材P36的“思考与讨论”,同学们想一下,汽车在水平路面上转弯时,什么力提供向心力?汽车在倾斜路面上转弯时什么力提供向心力?
提示 汽车在水平路面上转弯时,静摩擦力提供向心力,而在倾斜路面上转弯时,支持力、重力与摩擦力的合力提供向心力。
易错辨析(1)火车在水平路面上转弯时,外轨挤压火车的外轮缘。(　　)(2)车辆按规定车速通过“内低外高”的弯道时,向心力可以由重力和支持力的合力提供。(　　)(3)汽车驶过拱形桥最高点,对桥的压力可能等于零。(　　)(4)汽车过拱形桥或凹形路面时,向心加速度的方向都是向上的。(　　)(5)绕地球运动的航天器中的物体因摆脱了地球引力而飘浮起来。(　　)(6)物体做离心运动是因为受到离心力的作用。(　　)
解析 汽车过拱形桥时,向心加速度的方向向下;过凹形路面时,向心加速度的方向向上。
解析 物体仍受地球引力的作用。
解析 物体做离心运动的原因不是受到离心力作用,而是合力不足以提供向心力。
摩托车在水平道路上转弯(图甲)和火车转弯(图乙),它们的共同点是什么?提供向心力的方式一样吗?铁路弯道处铁轨有什么特点?
探究点一　火车转弯问题分析
要点提示 共同点是摩托车在水平道路上转弯和火车转弯都需要向心力。摩托车转弯时由摩擦力提供向心力;火车质量太大,轮缘与外轨间的相互作用力太大,铁轨和车轮极易受损,需要设置特别的轨道,使外轨高于内轨,使火车受到的重力、支持力的合力提供向心力。
1.轨迹分析火车在转弯过程中,运动轨迹是一圆弧,由于火车转弯过程中重心高度不变,故火车轨迹所在的平面是水平面,而不是斜面。火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。2.向心力分析(1)若转弯处内外轨一样高,则由外轨对轮缘的弹力提供向心力。
(2)若转弯时外轨略高于内轨,根据弯道的半径和规定的速度,适当选择内、外轨的高度差,则按规定速度转弯时所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供。
【例1】 (2023广东佛山高一期末)如图所示,列车在拐弯时,弯道处的外轨会略高于内轨。当列车以“规定的行驶速度”v0经过弯道时,内、外轨均不会受到轮缘的挤压。若两轨道所在平面的倾角为θ,重力加速度为g,请你简要解答以下问题。
(1)当列车过弯速率大于v0时,轮缘将对哪一侧的轨道有挤压?请分析说明原因;(2)列车分别在满载和空载两种情况下(忽略重心位置变化)经过弯道时,其“规定的行驶速度”是否相同?请通过推导说明;(3)为了进一步提高列车经过弯道时的“规定的行驶速度”,可以对铁路的弯道处进行哪些改造?举例并说明原因。
答案 (1)轮缘将对外侧的轨道有挤压力,原因见解析(2)相同,推导过程见解析(3)一是增大弯道的半径,二是增加内外轨道的高度差,原因见解析
解析 (1)当列车过弯速率等于v0时,向心力由重力及轨道的支持力的合力提供,如图所示
当列车过弯速率大于v0时,所需要的向心力大于mgtan θ,根据轨道及车轮结构知,外侧轨道给轮缘一个向内的挤压力,其沿半径方向的分力与mgtan θ共同提供向心力,且随着速度的增大,挤压力增大,超过一定限度,车辆会有向外侧翻的危险。根据牛顿第三定律知,轮缘将对外侧的轨道有挤压力。
这个速度与质量无关,所以列车分别在满载和空载两种情况下经过弯道时,其“规定的行驶速度”是相同的。
(3)根据v= 可知,速度与弯道半径及倾角有关,所以,有两种方法提高速度,一是增大弯道的半径,二是增加内外轨道的高度差,使两轨道所在平面的倾角θ增大。
方法技巧　火车转弯问题的两点注意(1)合力的方向:火车转弯时,火车所受合力沿水平方向指向圆心,而不是沿轨道斜面向下。因为火车转弯的圆周平面是水平面,不是斜面,所以火车所受的向心力即合力应沿水平面指向圆心。(2)规定速度的唯一性:火车轨道转弯处的规定速率一旦确定则是唯一的,火车只有按规定的速率转弯,内外轨才不受火车的挤压作用。速率过大时,由重力、支持力及外轨对轮缘的弹力的合力提供向心力;速率过小时,由重力、支持力及内轨对轮缘的弹力的合力提供向心力。
1.如图所示,在某路段汽车向左拐弯,司机左侧的路面比右侧的路面低一些。汽车的运动可看作是半径为R的圆周运动。设内、外路面高度差为h,路基的水平宽度为d,路面的宽度为L,已知重力加速度为g。要使车轮与路面之间的横向摩擦力(即垂直于前进方向的摩擦力)等于零,则汽车转弯时的车速应等于(　　)
解析 由题意可知,要使车轮与路面之间的横向摩擦力(即垂直于前进方向的摩擦力)等于零,则转弯所需向心力全部由重力和支持力的合力提供,则
(1)用两根铁丝弯成如图所示的凹凸桥。把一个小球放在凹桥底部A,调节两轨间的距离,使小球刚好不掉下去,但稍加一点压力,小球就会撑开两轨下落。让小球从斜轨滚下,当小球经过凹桥底部时,你看到了什么?
要点提示 小球经过凹桥底部时,从两轨之间掉了下来。
探究点二　汽车过拱形桥问题分析
要点提示 小球经过凸桥顶端时,没有掉下来。
(2)把凹桥下的搭钩扣上,并让小球在凸桥顶端B静止放置时,刚好能撑开两轨下落。然后,让小球再从斜轨滚下,当球经过凸桥顶端时,你又看到了什么?
汽车过拱形桥与凹形路面的比较
【例2】 如图所示,质量m=2.0×104 kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形路面和拱形桥,路面和桥面的圆弧半径均为20 m。如果桥面承受的压力不得超过3.0×105 N,则:(1)汽车允许的最大速率是多少?(2)若以(1)中所求速率行驶,汽车对桥面的最小压力是多少?(g取10 m/s2)
答案 (1)10 m/s　(2)1.0×105 N
解析 (1)汽车在凹形路面底部时,由牛顿第二定律得
代入数据解得v=10 m/s。
(2)汽车在拱形桥顶部时,由牛顿第二定律得
代入数据得FN'=1.0×105 N。由牛顿第三定律知汽车对桥面的最小压力是1.0×105 N。
2.(2023山东聊城高一期中)胎压监测器可以实时监测汽车轮胎内部的气压,在汽车上安装胎压监测报警器,可以预防因汽车轮胎胎压异常而引发的事故。一辆装有胎压报警器的载重汽车在高低不平的路面上匀速率行驶,其中一段路面的水平观察视图如图所示,图中虚线是水平线,下列说法正确的是(　　)A.经过图中B处最容易超压报警B.经过图中A处最容易超压报警C.经过A处时汽车受到的支持力可能与重力大小相等D.经过B处时汽车受到的支持力可能与重力大小相等
受到的支持力小于重力,汽车在A处受到的支持力最大,汽车经过图中A处最容易超压报警,B正确,A、C、D错误。
链球比赛中,运动员放手后,原本高速旋转的链球会飞出;雨天,当你旋转雨伞时,会发现水滴沿着伞的边缘切线飞出。(1)链球飞出后受几个力?(2)你能说出水滴沿着伞的边缘切线飞出的原因吗?(3)物体做离心运动的条件是什么?
要点提示 (1)重力和空气阻力。(2)旋转雨伞时,雨滴也随着运动起来,但伞面上的雨滴受到的合力不足以提供其做圆周运动的向心力,雨滴由于惯性要保持其原来的速度方向而沿切线方向飞出。(3)向心力突然消失或物体受到的合力不足以提供其运动所需的向心力。
探究点三　对离心运动的理解
1.离心运动的实质:离心运动是物体逐渐远离圆心的一种物理现象,它的本质是物体惯性的表现。做圆周运动的物体,总是有沿着圆周切线方向飞出去的倾向,之所以没有飞出去,是因为向心力的作用。2.离心运动的条件:做圆周运动的物体,提供向心力的外力突然消失或者外力不能提供足够大的向心力。
特别提示　分析离心现象要明确什么是“提供的向心力”,什么是“需要的向心力”,分析“供”与“需”的关系是确定物体怎样运动的关键。
【例3】 (2023四川宜宾高一期末)在水平公路上行驶的汽车,当汽车以一定速度运动时,车轮与路面间的最大静摩擦力恰好等于汽车转弯所需要的向心力,汽车沿如图的圆形路径(虚线)运动、当汽车行驶速度突然增大,则汽车的运动路径可能是(　　)A.ⅠB.ⅡC.ⅢD.Ⅳ
解析 当汽车行驶速度突然增大时,最大静摩擦力不足以提供其需要的向心力,则汽车会发生离心运动,且合外力为滑动摩擦力,又因为合外力在运动轨迹的凹侧,即汽车的运动路径可能沿着轨迹Ⅱ。故选B。
方法技巧　离心现象的两点注意(1)在离心现象中并不存在离心力,是合力不足以提供物体做圆周运动所需的向心力而引起的,是惯性的一种表现形式。(2)做离心运动的物体,并不是沿半径方向向外远离圆心。
3.雨天在野外骑车时,自行车的后轮上常会有一些泥巴。将自行车车轮撑起悬空,并使车轮飞速转动,泥巴就被甩下来。a、b为车轮轮胎边缘上同一直径上的两点,某时刻a、b位置如图所示,则泥巴(　　)A.在a位置时向心加速度大于b位置时向心加速度B.在a位置时向心加速度小于b位置时向心加速度C.在b位置时最容易被甩下来D.在a位置时最容易被甩下来
解析 a、b两点同轴转动,角速度相等,由于半径相等,所以根据an=ω2r可知a位置时向心加速度大小等于b位置时向心加速度大小,故A、B错误;泥巴做圆周运动,合力提供向心力,根据F向=mω2r,车轮上每一个位置的向心力大小相等,当提供的合力小于向心力时做离心运动,所以能提供的合力越小越容易飞出去。最低点,重力向下,附着力向上,合力等于附着力减去重力;最高点,重力向下,附着力向下,合力为重力加上附着力,所以在最低点b合力最小,最容易飞出去,故C正确,D错误。
1.(对离心运动的理解)(2023陕西渭南高一期末)下列事例与离心现象无关的是(　　)A.下雨用伞后,收伞时将雨伞旋转几圈,雨滴被甩出B.汽车突然加速时,人向后倾倒C.汽车转弯速度过大时,放在座位上的物品被甩出座位D.链球运动员使链球高速旋转后松手,链球沿切线方向飞出
解析 下雨用伞后,收伞时将雨伞旋转几圈,雨滴做离心运动被从伞上甩掉,属于离心现象,故A不符合题意;汽车突然加速时,乘客都向后倾倒,这是由于惯性的作用,不是离心现象,故B符合题意;汽车在转弯时速度过大,需要的向心力大,放在座位上的物品被甩出座位,这是离心运动,属于离心现象,故C不符合题意;链球运动员使链球高速旋转后松手,链球沿切线方向飞出,与离心现象有关,故D不符合题意。
2.(火车转弯问题)铁路转弯处的圆弧半径为R,内侧和外侧的高度差为h,L为两轨间的水平距离,且L>h。如果列车转弯速率大于 ,则(　　)A.外侧铁轨与轮缘间产生挤压B.铁轨与轮缘间无挤压C.内侧铁轨与轮缘间产生挤压D.内、外侧铁轨与轮缘间均有挤压
3.(汽车过拱形桥问题)游乐场里的过山车如图所示,若过山车经过A、B两点的速率相同,则过山车(　　)A.在A点时处于失重状态B.在B点时处于超重状态C.A点的向心加速度小于B点的向心加速度D.在B点时乘客对座椅的压力可能为零
4.[火车(汽车)转弯问题](多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带,如图所示,某公路急转弯处是一圆弧,当汽车行驶的速率为vc时,汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势,则在该弯道处(　　)A.路面外侧低、内侧高B.车速只要低于vc,车辆一定会向内侧滑动C.车速虽然高于vc,但只要不超出某一最高限度,车辆便不会向外侧滑动D.当路面结冰时,与未结冰时相比,vc的值不变
解析 路面应建成外高内低,此时重力和支持力的合力指向内侧,可以提供圆周运动向心力,A错误;车速低于vc,所需的向心力减小,此时摩擦力可以指向外侧,减小提供的力,车辆不会向内侧滑动,B错误;车速若高于vc,所需的向心力增大,此时摩擦力可以指向内侧,增大提供的力,车辆不会向外侧滑动,C正确;当路面结冰时与未结冰时相比,由于支持力和重力不变,则vc的值不变,故D正确。
5.(汽车转弯问题与离心现象的综合)(2023山东聊城高一期中)新环线的建成通车,有效缓解了市内交通压力。如图所示,四环线上一个大圆弧形弯道,公路外侧路基比内侧路基高。当汽车以速度vc行驶时,汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势。则(　　)A.当路面结冰时与未结冰时相比,vc的值变小B.只要车速低于vc,汽车就向内侧滑动C.车速高于vc,汽车可能向外侧滑动D.要使汽车在转弯过程中不打滑,车速不能大于vc
解析 当汽车以速度vc行驶时,汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势,此时重力和支持力的合力刚好提供向心力,当路面结冰时与未结冰时相比,重力和支持力的合力没有变化,可知vc的值不变,A错误;车速低于vc时,重力和支持力的合力大于所需的向心力,汽车有向内侧滑动的趋势,此时路面对汽车有向外侧的静摩擦力,汽车可能并不会向内侧滑动,B错误;车速高于vc时,重力和支持力的合力小于所需的向心力,汽车有向外侧滑动的趋势,此时路面对汽车有向内侧的静摩擦力,汽车可能并不会向外侧滑动,车速越大,路面对汽车向内侧的静摩擦力也越大,当静摩擦力达到最大值时,车速如果更大,汽车将向外侧滑动,C正确,D错误。