高中物理人教版 (2019)必修 第二册2 向心力教学演示ppt课件

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1.理解向心力的概念,会分析向心力的来源。2.实验探究影响向心力大小的相关因素,知道向心力大小的表达式,并能利用向心力表达式进行计算。3.理解在变速圆周运动中向心力为合力沿半径方向的分力,改变物体速度的方向。
一、向心力1.定义。做匀速圆周运动的物体所受的　合力　总指向圆心,这个指向圆心的力叫作向心力。 2.公式。
3.方向。向心力的方向始终指向　圆心　,由于方向　时刻改变　,所以向心力是　变力　。 4.效果力。向心力不是作为具有某种性质的力来命名的,是根据力的　作用效果　命名的,是做匀速圆周运动的物体所受的合力。 
微判断1.做匀速圆周运动的物体所受的向心力是恒力。 ( 　　)2.向心力和重力、弹力一样,是性质力。(　　)3.向心力可以由重力或弹力等来充当,是效果力。(　　)
微训练1.对做圆周运动的物体所受的向心力说法正确的是(　　)A.因向心力总是沿半径指向圆心,且大小不变,故向心力是一个恒力B.因向心力指向圆心,且与线速度方向垂直,所以它不能改变线速度的大小C.向心力是物体所受的合力D.向心力的方向都是不变的答案:B
解析:做匀速圆周运动的物体所受的向心力大小恒定,方向总是指向圆心,是一个变力,选项A、D错误;向心力只改变线速度方向,不改变线速度大小,选项B正确;圆周运动中,只有做匀速圆周运动的物体其向心力是由物体所受合力提供,选项C错误。
2.如图所示,轻质且不可伸长的细绳一端系一质量为m的小球,另一端固定在天花板上的O点。则小球在竖直面内摆动的过程中,不计空气阻力,以下说法正确的是(　　)A.小球在摆动过程中受到的外力的合力即为向心力B.在最高点A、B,因小球的速度为零,所以小球受到的合力为零C.小球在最低点C所受的合力为向心力D.小球在摆动过程中使其速率发生变化的力为细绳的拉力答案:C
解析:小球在摆动过程中受到的外力的合力只有在小球运动到C点时全部充当向心力,故选项A错误,C正确。小球运动到最高点时,虽然小球的速度为零,但小球受到的合力不为零,故选项B错误。小球在摆动过程中使其速率发生变化的力为重力垂直于细绳方向的分力,故选项D错误。
二、变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点1.变速圆周运动。变速圆周运动所受合力一般不等于　向心力　,合力一般产生两个方面的效果: (1)合力F跟圆周相切的分力Ft,此分力影响 线速度的大小 。(2)合力F指向圆心的分力Fn,此分力影响 线速度的方向 。
2.一般曲线运动的处理方法。一般曲线运动,可以把这条曲线分割为许多很短的小段,质点在每小段的运动都可以看作圆周运动的一部分。这样,在分析质点经过曲线上某位置的运动时,就可以采用圆周运动的分析方法来处理了。
一 匀速圆周运动中的向心力
重难归纳1.实验:探究向心力大小的表达式。【实验目的】(1)定性感知向心力的大小与什么因素有关。(2)学会使用向心力演示器。(3)探究向心力与质量、角速度、半径的定量关系。
【实验器材】1.手柄　2、3.变速塔轮　4.长槽　5.短槽　6.横臂　7.弹簧测力套筒　8.标尺
【实验原理与设计】(1)实验原理。探究方法:控制变量法。(2)实验设计。定量分析实验设计思路:①控制小球质量和半径不变,探究向心力与角速度的关系。②控制小球质量和角速度不变,探究向心力与半径的关系。③控制小球半径和角速度不变,探究向心力与质量的关系。
【实验步骤】匀速转动手柄,可以使塔轮、长槽和短槽匀速转动,槽内的小球也就随之做匀速圆周运动。这时,小球向外挤压挡板,挡板对小球的反作用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。同时,小球压挡板的力使挡板另一端压缩弹簧测力套筒里的弹簧,弹簧的压缩量可以从标尺上读出,该读数显示了向心力的大小。
(1)把两个质量相同的小球放在长槽和短槽上,使它们的转动半径相同。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度不一样。探究向心力的大小与角速度的关系。(2)保持两个小球质量不变,增大长槽上小球的转动半径。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度相同。探究向心力的大小与半径的关系。(3)换成质量不同的小球,并使两小球的转动半径相同。调整塔轮上的皮带,使两个小球的角速度相同。探究向心力的大小与质量的关系。(4)重复几次以上实验。
【数据处理】(1)m、r一定。
(4)分别作出F向-ω2、F向-r、F向-m的图像。(5)实验结论:①在质量和半径一定的情况下,向心力的大小与角速度的二次方成正比。②在质量和角速度一定的情况下,向心力的大小与半径成正比。③在半径和角速度一定的情况下,向心力的大小与质量成正比。
特别提醒 1.将横臂紧固螺钉旋紧,以防小球和其他部件飞出而造成事故。2.摇动手柄时应力求缓慢加速,注意观察其中一个测力套筒的格数。达到预定格数时,即保持转速均匀恒定。
3.对匀速圆周运动的分析。(1)向心力的来源:做匀速圆周运动的物体所需要的向心力由物体受到的合力提供,即F向=F合。(2)匀速圆周运动的三个特点:①线速度大小不变、方向时刻改变。②角速度、周期、转速都恒定不变。③向心力的大小恒定不变,但方向时刻改变,沿半径指向圆心。
(3)常见的几个实例分析:
4.匀速圆周运动的解题步骤。(1)确定研究对象,必要时要将它从转动系统中隔离出来。(2)确定物体做圆周运动的轨道平面,并找出圆心和轨道半径。(3)确定研究对象在有关位置所处的状态,分析运动物体的受力情况,判断哪些力提供向心力,千万别臆想出一个向心力来,这是解题的关键。
提示:(1)汽车匀速率转弯,摩擦力提供向心力。(2)物体做匀速圆周运动时向心力的方向时刻在变化,始终指向圆心,与线速度的方向垂直。物体做匀速圆周运动时向心力的大小不变。(3)汽车运动所需要的向心力与汽车受到的合力相等。
典例剖析如图所示,一水平放置的圆盘,可以绕中心O点旋转,盘上放一个质量为0.3 kg的铁块,铁块与一根质量可以不计的弹簧测力计相连接。铁块随圆盘一起匀速转动,角速度是10 rad/s时,铁块距中心O点40 cm远,这时弹簧测力计的示数是10 N,则圆盘对铁块的摩擦力大小是　　　　　　。答案:2 N
解析:铁块做的是匀速圆周运动,所以其合力肯定指向圆心,并且合力的大小等于F=mrω2=12 N,此时弹簧测力计的示数是10 N,所以摩擦力的大小应该为2 N,方向指向圆心。规律总结 匀速圆周运动的处理思路凡是做圆周运动的物体一定需要向心力。当物体做匀速圆周运动时,合力充当向心力;当物体做变速圆周运动时,合力沿半径方向的分力提供向心力。
学以致用甲、乙两名溜冰运动员,面对面拉着弹簧测力计做圆周运动的溜冰表演,m甲=80 kg,m乙=40 kg,如图所示,两人相距0.9 m,弹簧测力计的示数为48 N,下列判断正确的是(　　)A.两人的线速度相同,约为40 m/sB.两人的角速度相同,约为2 rad/sC.两人的运动半径相同,都是0.45 mD.两人的运动半径不同,甲为0.3 m,乙为0.6 m答案:D
二 变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点
重难归纳1.变速圆周运动的动力学特点。(1)物体做加速圆周运动。如图甲所示,物体受到的合力F的方向与速度的方向的夹角小于90°。把F沿切向和径向正交分解,Ft沿速度方向,使物体加速;Fn沿半径方向,改变物体速度的方向。
(2)物体做减速圆周运动。如图乙所示,物体受到的合力F的方向与速度的方向的夹角大于90°。Ft使物体减速,Fn使物体改变运动方向。
2.处理一般的曲线运动的方法。运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动,称为一般的曲线运动。处理一般的曲线运动时,可以把曲线分割成许多小段,每一小段可看成一段小圆弧,把曲线当成许多半径不同的圆处理,如图所示。
3.匀速圆周运动与变速圆周运动的比较。
提示:需要向心力。在复杂的曲线运动中取一小段研究,每一小段都可以看成是某个圆周的一部分。不同位置上所对应的“圆周运动”的“圆心”和“半径”是不同的。
典例剖析一根长为0.8 m的绳子,当受到7.84 N的拉力时被拉断。若在此绳的一端拴一个质量为0.4 kg的物体,使物体以绳子的另一端为圆心在竖直面内做圆周运动,当物体运动到最低点时绳子恰好断裂。求物体运动至最低点时的角速度和线速度大小。(g取9.8 m/s2)答案:3.5 rad/s　2.8 m/s
规律总结 1.物体做非匀速圆周运动时,在任何位置均是沿半径指向圆心的合力提供向心力。2.物体做一般曲线运动时,在每段小圆弧处仍可按圆周运动规律进行处理。
学以致用2.一般的曲线运动可以分成很多小段,每小段都可以看成圆周运动的一部分,即把整条曲线用一系列不同半径的小圆弧来代替。如图甲所示,曲线上A点的曲率圆定义:通过A点和曲线上紧邻A点两侧的两点作一圆,在极限情况下,这个圆就叫作A点的曲率圆,其半径ρ叫作A点的曲率半径。现将一物体沿与水平面成α角的方向以速度v0抛出,如图乙所示。
则在其轨迹最高点P处的曲率半径是(　　)
圆锥摆模型——科学思维培养方法归纳1.模型构建。“圆锥摆”是匀速圆周运动的一个典型实例:用细线一端系一小球,另一端固定于天花板上,小球以一定大小的速度在水平面内做匀速圆周运动,细线在空中划出一个圆锥面,这样的装置叫作“圆锥摆”。
2.受力分析。如图所示的圆锥摆,小球在水平面内做匀速圆周运动,共受到重力G和悬线上拉力FT两个力作用,这两个力的合力F沿水平方向指向圆周运动的圆心O',提供小球做匀速圆周运动的向心力。若悬线长为l,小球的质量为m,悬线与竖直方向的夹角为θ,则向心力F=mgtan θ,运动半径r=lsin θ。
两根长度不同的细线下面分别悬挂小球,细线上端固定在同一点,若两个小球以相同的角速度,绕共同的竖直轴在水平面内做匀速圆周运动,则两个摆球在运动过程中,相对位置关系应该是怎样的?提示:小球做匀速圆周运动,设细线与竖直方向的夹角为θ,mgtan θ=mω2lsin θ,整理得lcs θ= 是常量,即两球处于同一高度,如图所示。
典例剖析如图所示,将一质量为m的摆球用长为l的细绳吊起,上端固定,使摆球在水平面内做匀速圆周运动,细绳就会沿圆锥面旋转,这样就构成了一个圆锥摆,绳与竖直方向的夹角为θ(设重力加速度为g),求:(1)小球受到的拉力F;(2)小球转动的周期T。
规律总结 圆锥摆模型的迁移运用(1)如图甲所示,小球沿一个倒置的光滑圆锥面的内壁在水平面内做匀速圆周运动。(2)如图乙所示,细线一端系一小球,另一端固定于光滑圆锥面的顶点,当圆锥面对小球的支持力为零时小球在水平面内的匀速圆周运动。(3)如图丙所示,用两根细线,其一端系着一个小球,另一端系在一根匀速转动的竖直杆上的两点上,当BC松弛或拉力FT2恰好等于零时小球在水平面内的匀速圆周运动。
学以致用如图所示,在固定的圆锥形漏斗的光滑内壁上,有两个质量相等的小球A和B,它们分别紧贴漏斗的内壁,在不同的水平面上做匀速圆周运动,则以下叙述正确的是(　　)A.A的周期等于B的周期B.A的角速度等于B的角速度C.A的线速度等于B的线速度D.A对漏斗内壁的压力等于B对漏斗内壁的压力答案:D
1.关于向心力,下列说法正确的是(　　)A.物体由于做圆周运动而产生一个向心力B.向心力不改变物体做圆周运动的速度大小C.做匀速圆周运动的物体的向心力是恒力D.做一般曲线运动的物体所受的合力即为向心力答案:B
解析:向心力是根据力的作用效果命名的,它不改变速度的大小,只改变速度的方向,选项A错误,B正确;做匀速圆周运动的物体的向心力始终指向圆心,方向在不断变化,是变力,选项C错误;做一般曲线运动的物体所受的合力通常可分解为切线方向的分力和法线方向的分力,切线方向的分力改变速度的大小,法线方向的分力改变速度的方向,选项D错误。
2.(多选)洗衣机的脱水筒在转动时有一衣物附着在筒壁上,如图所示,则此时(　　)A.衣物受到重力、筒壁的弹力和摩擦力的作用B.衣物随筒壁做圆周运动的向心力是由摩擦力提供的C.筒壁对衣物的摩擦力随转速增大而减小D.筒壁对衣物的摩擦力不随转速增大而改变答案:AD
解析:衣物受到重力、筒壁的弹力和摩擦力三个力的作用,其中筒壁的弹力提供其做圆周运动的向心力,选项A正确,B错误;由于重力与静摩擦力保持平衡,所以摩擦力不随转速的变化而变化,选项C错误,D正确。
3.如图所示,水平圆盘上叠放着两个物块A和B,当圆盘和物块绕竖直轴匀速转动时,物块与圆盘始终保持相对静止,则(　　)A.物块A不受摩擦力作用B.物块B受5个力作用C.当转速增大时,A所受摩擦力增大,B所受摩擦力减小D.A对B的摩擦力方向沿半径指向转轴答案:B
解析:物块A受到的摩擦力充当向心力,选项A错误;物块B受到重力、支持力、A对物块B的压力、A对物块B沿半径向外的静摩擦力和圆盘对物块B沿半径指向转轴的静摩擦力,共5个力的作用,选项B正确,D错误;当转速增大时,A、B所受摩擦力都增大,选项C错误。
4.如图所示,把一个长为20 cm、劲度系数为360 N/m的弹簧一端固定,作为圆心,弹簧的另一端连接一个质量为0.50 kg的小球,当小球以 r/min的转速在光滑水平面上做匀速圆周运动时,弹簧的伸长应为(　　)A.5.2 cmB.5.3 cmC.5.0 cmD.5.4 cm答案:C
5.如图所示,有一质量为m1的小球A与质量为m2的物块B通过轻绳相连,轻绳穿过光滑水平板中央的竖直小孔O。当小球A在水平板上绕O点做半径为r的匀速圆周运动时,物块B刚好保持静止。求:(重力加速度为g)(1)轻绳的拉力大小;(2)小球A运动的线速度大小。