新教材2023年高中物理第6章圆周运动4生活中的圆周运动课件新人教版必修第二册

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第六章　圆周运动4．生活中的圆周运动目标体系构建课前预习反馈 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，所以需要很大的向心力。知识点 1火车转弯圆周运动　向心　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。弹力　(2)若转弯时外轨略高于内轨，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由_________和___________的合力提供，从而减轻外轨与轮缘的挤压，如图。重力mg　支持力FN　知识点 2汽车过拱桥mg－FN　FN－mg　越小　越大　2．完全失重状态当v＝_____时，座舱对宇航员的支持力FN＝0，宇航员处于___________状态。知识点 3航天器中的失重现象地球引力与座舱对他的支持力的合力　完全失重　1．定义：做圆周运动的物体_________飞出或做逐渐远离圆心的运动。2．原因：向心力突然消失或_____________提供所需的向心力。3．离心运动的应用和防止(1)应用：离心干燥器；洗衣机的_________；离心制管技术。(2)防止：汽车在公路转弯处必须___________；转动的砂轮、飞轮的转速不能太高。知识点 4离心运动沿切线　合力不足以　脱水筒　限速行驶　『判一判』(1)铁路的弯道处，内轨高于外轨。 (　　)(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)汽车驶过拱形桥顶部时，对桥面的压力等于车重。 (　　)(4)汽车行驶至凹形桥底部时，对桥面的压力大于车重。 (　　)(5)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的航天员处于完全失重状态，故不再受重力。 (　　)(6)做离心运动的物体可以沿半径方向向外运动。 (　　)×　×　×　√　×　×　『选一选』(2021·吉林松原市高一月考)如图所示，某幼儿园的两位小朋友在玩荡秋千，秋千的两根绳长相等，在摆动过程中，绳子所受拉力最大的时候是秋千 (　　)A．摆到最高点时　　 B．摆到最低点时C．在上摆过程中　　 D．在下摆过程中B　『想一想』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(如图)。当旋转盘加速时，哪些人更容易发生滑动？为什么？答案：见解析解析：离轴远一些的人更容易滑动。根据向心力公式F＝mω2r可知，旋转盘上的人角速度一样，离轴越远，所需向心力越大，转盘上的人所需向心力都是由人与转盘间的摩擦力提供，所以离轴越远，越容易滑动。课内互动探究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？火车转弯问题情景导入探究 一提示：共同点：摩托车在平直公路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．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。要点提炼2．火车弯道的特点弯道处外轨高于内轨，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．火车转弯的向心力来源火车速度合适时，火车只受重力和支持力作用，火车转弯时所需的向心力完全由支持力和重力的合力来提供。如图所示。4．轨道轮缘压力与火车速度的关系(1)当火车行驶速率v等于规定速度v0时，内、外轨道对轮缘都没有侧压力。(2)当火车行驶速度v大于规定速度v0时，火车有离心运动趋势，故外轨道对轮缘有侧压力。(3)当火车行驶速度v小于规定速度v0时，火车有向心运动趋势，故内轨道对轮缘有侧压力。汽车、摩托车赛道拐弯处，高速公路转弯处设计成外高内低，也是尽量使车受到的重力和支持力的合力提供向心力，以减小车轮与路面之间的横向摩擦力。特别提醒 铁路转弯处的圆弧半径是300 m，轨距是1.435 m，规定火车通过这里的速度是72 km/h，内外轨的高度差应该是多大，才能使铁轨不受轮缘的挤压？保持内外轨的这个高度差，如果车的速度大于或小于72 km/h，会分别发生什么现象？(g＝9.8 m/s2)说明理由。典题1典题剖析解析：火车在转弯时所需的向心力在“临界”状况时由火车所受的重力和轨道对火车的支持力的合力提供。如图所示，图中h为内外轨高度差，L为轨距。讨论：(1)如果车速v＞72 km/h(20 m/s)，F将小于需要的向心力，所差的力仍需由外轨对轮缘的弹力来弥补。这样就出现外侧车轮的轮缘向外挤压外轨的现象。(2)如果车速v＜72 km/h，F将大于需要的向心力。超出的力则由内轨对内侧车轮缘的压力来平衡，这样就出现了内侧车轮的轮缘向外挤压内轨的现象。答案：见解析点评：临界值是圆周运动中经常考查的一个重点内容，它是物体在做圆周运动过程中，发生质变的数值或使物体受力情况发生变化的关键数值，今后要注意对临界值的判断和应用。火车轨道外高内低的目的是让支持力倾斜，使其指向圆心方向的分力提供向心力。同理，汽车、摩托车赛道拐弯处、高速公路转弯处设计成外高内低，可以减小车轮和路面间的横向摩擦力。特别提醒1．(多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带。如图，某公路急转弯处是一段圆弧，当汽车行驶的速率为v0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．路面外侧高内侧低B．车速只要低于v0，车辆便会向内侧滑动C．车速虽然高于v0，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，v0的值变小对点训练AC　解析：车辆在经过急转弯处可看作圆周运动，需要指向内侧的向心力，当汽车以速率v0转弯时，恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势，说明此处公路外侧高，内侧低，由重力和支持力的合力提供向心力，A正确；若车速小于v0，汽车有向内侧滑动的趋势，车轮受到向外的摩擦力，只要此摩擦力小于车轮与地面间的最大静摩擦力，车辆就不会向内滑动，B错误；同理，当车速高于v0，车轮受到的摩擦力向内侧，只要摩擦力小于最大静摩擦力，车辆便不会向外滑动，C正确；v0是车轮刚好不受地面侧向摩擦力时的速度，因此与路面是否结冰无关，D错误。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，使球刚好不掉下去，但稍加一点压力，球就会撑开两轨下落。汽车过桥问题情景导入探究 二(1)让球从斜轨滚下，当球经过凹桥底部时，你看到了什么？(2)让小球在凸桥顶端B静止放置时，刚好能撑开两轨下落，此时把凹桥下的搭钩扣上。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？提示：(1)球经过凹桥底部时，从两轨间掉了下去。(2)球经过凸桥顶端时，没有掉下来。要点提炼 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桥面和凸形桥面，两桥面的圆弧半径均为60 m，如果桥面承受的压力不得超过3.0×105 N则：典题 2典题剖析(1)汽车允许的最大速率是多少？(2)若以所求速度行驶，汽车对桥面的最小压力是多少？(g取10 m/s2)思路引导：在汽车经过拱形桥或类似的物体经过竖直曲线做圆周运动的问题中，一般在轨道的最低点和最高点分析受力列方程，无论该类题目的具体内容如何，通过分析受力，找出提供的向心力列方程求解是最基本的方法。解析：汽车在拱桥上运动时，对凹形桥的压力大于其重力，而对凸形桥则压力小于重力。由此可知，对凹形桥则存在一个允许最大速率，对凸形桥则有最小压力。可根据圆周运动知识，在最低点和最高点列方程求解。汽车驶至凹面的底部时，合力向上，此时车对桥面压力最大；汽车驶至凸面的顶部时，合力向下，此时车对桥面的压力最小。(1)汽车在凹面的底部时，由牛顿第三定律可知，桥面对汽车的支持力FN1＝3.0×105 N，根据牛顿第二定律得：汽车过桥的分析技巧对于汽车过桥问题，明确汽车的运动情况，抓住“切向平衡、法向有向心加速度”是解题的关键。具体的解题步骤如下：(1)选取研究对象，确定轨道平面、圆心位置和轨道半径；(2)正确分析研究对象的受力情况，明确向心力是按作用效果命名的力，在受力分析时不能列出，明确向心力的来源；(3)根据平衡条件和牛顿运动定律列方程求解。方法技巧2．(多选)(2021·石嘴山市第三中学高一月考)如图一辆试验车过拱桥，车的质量为800 kg，桥的半径为20 m(g＝10 m/s2)。下列说法正确的是 (　　)A．汽车以20 m/s的速度过桥顶时恰好对桥没有压力而腾空B．随着车速的增加车对桥的压力逐渐减小C．对于同样的车速，拱桥圆弧的半径越大越安全D．在过桥过程中有经验的司机可以控制汽车做匀速运动对点训练BC　同学们小的时候都吃过松软可口的“棉花”糖，制作“棉花”糖的器具主要由分布有小孔的内筒和外筒组成，内筒与洗衣机的脱水筒相似，可以在脚的踏动下旋转。在内筒里面加入白砂糖，加热使糖熔化成糖汁。如图所示，一个师傅正在给两位小朋友制作“棉花”糖。试分析制作“棉花”糖的原理。离心运动情景导入探究 三 提示：内筒高速旋转时，黏稠的糖汁就做离心运动，从内筒壁的小孔飞散出去成为丝状，到达温度较低的外筒时，迅速冷却凝固，变得纤细雪白，像一团团棉花。1．离心运动的实质离心运动是物体逐渐远离圆心的运动，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飞出去的趋势，之所以没有飞出去，是因为受到向心力作用的缘故。2．物体做离心运动的条件做圆周运动的物体，一旦提供向心力的外力突然消失，或者外力不能提供足够的向心力时，物体做远离圆心的运动，即离心运动。要点提炼3．离心运动的受力特点物体做离心运动并不是物体受到离心力作用，而是由于外力不能提供足够的向心力。所谓“离心力”也是由效果命名的，实际并不存在。(4)若F合＝0，则物体做匀速直线运动。 2022年2月7日晚进行的北京冬奥会短道速滑男子1 000米决赛中，中国选手任子威获得金牌，李文龙获得银牌。在冬奥会短道速滑项目中，运动员绕周长仅111.12米的短道竞赛。比赛过程中运动员在通过弯道时如果不能很好地控制速度，将发生侧滑而摔离正常比赛路线。如图所示，圆弧虚线Ob代表弯道，即正常运动路线，Oa为运动员在O点时的速度方向(研究时可将运动员看作质点)。下列论述正确的是 (　　)A．发生侧滑是因为运动员受到的合力方向背离圆心B．发生侧滑是因为运动员受到的合力大于所需要的向心力C．若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa左侧D．若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa右侧与Ob之间典题 3典题剖析D　解析：发生侧滑是因为运动员的速度过大，所需要的向心力过大，而运动员受到的合力小于所需要的向心力，运动员受到的合力方向指向圆弧内侧，故选项A、B错误；运动员在水平方向不受任何外力时沿Oa方向做离心运动，实际上运动员受到的合力方向指向圆弧Ob内侧，所以运动员滑动的方向在Oa右侧与Ob之间，故选项C错误，D正确。分析离心运动需注意的问题(1)物体做离心运动时并不存在“离心力”，“离心力”的说法是因为有的同学把惯性当成了力。(2)离心运动并不是沿半径方向向外远离圆心的运动。易错提醒3．(2021·高邮市临泽中学高一月考)在水平公路上行驶的汽车，当汽车以速度v运动时，车轮与路面间的静摩擦力恰好等于汽车转弯所需要的向心力，汽车沿如图所示的圆形路径(虚线)运动。如果汽车转弯速度大于v，则汽车最有可能沿哪条路径运动 (　　)A．Ⅰ　　 B．Ⅱ　　C．Ⅲ　　 D．Ⅳ解析：汽车速度增加，将做离心运动，B正确。对点训练B　课 堂 小 结易错辨析警示易错点：找不准物体转弯时的轨道平面和圆心 质量为m的飞机以恒定速率v在空中水平盘旋，如图所示，其做匀速圆周运动的半径为R，重力加速度为g，则此时空气对飞机的作用力大小为 (　　)案例C　课堂达标检测1．(2022·湖北高一期末)小黄在玩惊险刺激的悬崖秋千时的照片如图所示。摆动过程中受到水平风力的作用，但是摆动依旧发生在同一竖直平面内，则下列说法正确的是 (　　)A．运动到最低点时，小黄受到的合外力一定竖直向上B．运动到最低点时，秋千对小黄的作用力一定大于小黄自身的重力C．运动到最高点时，小黄的速度为零，加速度也为零D．运动到最低点时，小黄除了受到秋千的作用力外，还受到重力，水平风力和向心力B　解析：运动到最低点时，小黄竖直方向的合力向上，还受到水平的风力，可知小黄受到的合外力一定不是竖直向上，故A错误；运动到最低点时，小黄有竖直向上的分加速度，小黄处于超重状态，秋千对小黄的作用力一定大于小黄自身的重力，故B正确；运动到最高点时，小黄的速度为零，所受合力为重力和水平风力的合力，不为零，所以加速度不为零，故C错误；运动到最低点时，小黄除了受到秋千的作用力外，还受到重力，水平风力，故D错误。2．(2022·辽宁大连高一期末)如图所示，游乐场里的过山车驶过轨道的最高点时，乘客在座椅里面头朝下，人体颠倒。若乘客经过轨道最高点时对座椅的压力等于其自身重力的一半，轨道半径为R，重力加速度为g，则此时过山车的速度大小为 (　　)C　3．(2022·浙江高一月考)如图所示的四种情形中，防止离心现象的是 (　　) A．甲图火车转弯时，不得超速通过B．乙图民间艺人在制作棉花糖C．丙图仪器通过高速旋转分离血液成分D．丁图洗衣机甩干时内筒在高速旋转A　解析：火车转弯时，按规定速度通过是为了防止离心现象，故A正确；制作“棉花糖”的过程中，糖熔化后被甩出，做离心运动，是应用了离心现象，故B错误；通过高速旋转分离血液成分，是应用了离心现象，故C错误；洗衣机脱水利用了水在高速旋转，附着力小于向心力时做离心运动，是应用了离心现象，故D错误。4．(2022·江苏如皋高一期末)3D地图技术能够为无人驾驶汽车分析数据，提供操作的指令。 如图所示为一段公路拐弯处的地图，则 (　　)A．若弯道是水平的，汽车拐弯时受到重力、支持力、摩擦力和向心力B．若弯道是水平的，为防止汽车侧滑，汽车拐弯时收到的指令是让车速大一点C．若弯道是倾斜的，为了防止汽车侧滑，道路应为内(东北)高外(西南)低D．若弯道是倾斜的，为了防止汽车侧滑，道路应为外(西南)高内(东北)低D