高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 生活中的圆周运动学案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 生活中的圆周运动学案设计，共20页。
　生活中的圆周运动

核心素养目标
物理观念
失重现象、离心现象和物体做离心运动的条件。
科学思维
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。
2.通过对向心力公式的推导分析汽车过拱形桥和凹形路面的最低点时的受力、理解航天器中的失重现象。
科学态度与责任
分析生产、生活和航天科技中的圆周运动现象，培养学生运用概念、规律解释现象和解决问题的能力，增强责任心和使命感。

知识点一　火车转弯
[观图助学]
火车转弯时外轨与内轨的高度一样吗？火车转弯的向心力来源是什么？火车的车轮设计有什么特点？

1.火车在弯道上的运动特点：火车转弯时实际是在做圆周运动，因而具有向心加速度，由于其质量巨大，需要很大的向心力。
2.向心力的来源
(1)如果铁路弯道的内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，外轨对轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源(如图所示)。
　
(2)如果在弯道处使外轨略高于内轨(如图所示)，火车转弯时铁轨对火车的支持力FN的方向不再是竖直的，而是斜向弯道的内侧，它与重力G的合力指向圆心，为火车转弯提供了一部分向心力。
适当选择内外轨的高度差，使转弯时所需的向心力几乎完全由重力G和支持力FN的合力来提供。
[思考判断]
(1)火车弯道的半径很大，故火车转弯需要的向心力很小。(×)
(2)火车转弯时的向心力一定是重力与铁轨支持力的合力提供的。(×)
(3)火车通过弯道时必须按规定速度行驶。(√)

火车车轮的特点
火车的车轮有凸出的轮缘，火车在铁轨上运行时，车轮与铁轨有水平与竖直两个接触面，这种结构特点，主要是避免火车运行时脱轨，如图所示。

　　　　　　　　　　　知识点二　汽车过拱形桥
[观图助学]

同一辆汽车先后经过凹形区域和凸形区域，在哪一区域汽车对地面的压力更大？
汽车过拱形桥与凹形路面的比较

汽车过拱形桥
汽车过凹形路面
受力分析


向心力
G－FN＝m
FN－G＝m
对桥的压力
FN′＝G－m
FN′＝G＋m
结论
汽车对路面的压力小于汽车的重力，而且汽车速度越大，对桥的压力越小
汽车对路面的压力大于汽车的重力，而且汽车速度越大，对路面的压力越大
[思考判断]
(1)汽车驶过拱形桥最高点，对桥的压力可能等于零。(√)
(2)汽车过拱形桥或凹形路面时，向心加速度的方向都是竖直向上的。(×)
(3)汽车驶过凹形路面最低点时，对路面的压力一定大于重力。(√)

拱形桥

凹形路面
知识点三　航天器中的失重现象
1.向心力分析：当航天器在近地轨道做匀速圆周运动时，轨道半径近似等于地球半径R，所受地球引力近似等于重力mg。宇航员受到的地球引力与座舱对他的支持力的合力为他提供向心力，mg－FN＝m，所以FN＝m(g－2)。
2.失重状态：当v＝时，座舱对宇航员的支持力FN＝0，宇航员处于完全失重状态。
[思考判断]
(1)绕地球运动的航天器中的物体因摆脱了地球引力而漂浮起来。(×)
(2)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的宇航员及所有物体均处于完全失重状态。(√)

知识点四　离心运动
[观图助学]

(1)摩托车赛车过弯道时为什么向内侧倾斜？车速过快容易向哪一侧甩出去？
(2)滑雪运动员过弯道时为什么向内侧倾斜？更容易向哪一侧甩出去？
(3)在游乐园里玩“魔盘”游戏的人，为什么会被抛到盘的边缘地带？
1.定义：物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2.原因：向心力突然消失或合力不足以提供所需的向心力。
3.应用：洗衣机的脱水筒，制作无缝钢管、水泥管道、水泥电线杆等。
[思考判断]
(1)做离心运动的物体沿半径方向远离圆心。(×)
(2)做圆周运动的物体突然失去向心力时沿切线方向远离圆心。(√)
(3)做圆周运动的物体只有突然失去向心力时才做离心运动。(×)

被雨伞甩出的雨滴做离心运动

在转弯的地方，汽车的行驶速度不允许超过限定的值，以免因为离心运动造成交通事故

核心要点一　铁路的弯道问题
1.火车车轮的特点：火车的车轮有凸出的轮缘，火车在铁轨上运行时，车轮与铁轨有水平与竖直两个接触面。这种结构特点，主要是避免火车运行时脱轨，如图所示。

2.圆周平面的特点：弯道处外轨高于内轨，但火车在行驶过程中，重心高度不变，即火车的重心轨迹在同一水平面内，火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。
3.向心力的来源分析：火车速度合适时，火车受重力和支持力作用，火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F＝mgtan θ。

4.规定速度分析：若火车转弯时只受重力和支持力作用，不受轨道压力，则mgtan θ＝m，可得v0＝。(R为弯道半径，θ为轨道所在平面与水平面的夹角，v0为转弯处的规定速度)
5.轨道压力分析
(1)当火车行驶速度v等于规定速度v0时，所需向心力仅由重力和弹力的合力提供，此时火车对内、外轨道无挤压作用。
(2)当火车行驶速度v与规定速度v0不相等时，火车所需向心力不再仅由重力和弹力的合力提供，此时内、外轨道对火车轮缘有挤压作用，具体情况如下：
①当火车行驶速度v>v0时，外轨道对轮缘有侧压力。
②当火车行驶速度v