高中物理 第二章 勻速圓周運動 3 圓周運動的實例分析 4 圓周運動與人類文明課件 教科版必修2

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1、第二章勻速圓周運動目標定位1.會分析圓周運動問題中向心力的來源,能解決生活中的圓周運動問題.2.知道離心現(xiàn)象及離心運動的條件,了解離心運動的應用和危害.3.了解圓周運動在人類文明進程中的廣泛應用,認識圓周運動對人類文明發(fā)展的重大影響.學案3圓周運動的實例分析4 圓周運動與人類文明知識探究自我檢測一、汽車過拱形橋知識探究問題設計1.質量為m的汽車以速度v通過拱形橋的最高點,若橋面的圓弧半徑為R,求此時汽車對橋的壓力.汽車的重力與汽車對橋的壓力哪個大?可見,汽車對橋的壓力N小于汽車的重力mg,并且,壓力隨汽車速度的增大而減小.答案在最高點,對汽車進行受力分析,如圖所示.由牛頓第二定律列方程求出汽車

2、受到的支持力;由牛頓第三定律求出橋面受到的壓力2.當汽車通過凹形橋最低點時,汽車對橋的壓力比汽車的重力大還是小呢?答案汽車在凹形橋的最低點時對橋的壓力大小為(受力分析如圖)要點提煉圖11.汽車過拱形橋(如圖1)汽車在最高點向心力: m ,得N .由此可知,汽車在最高點對橋面的壓力_重力.汽車處于失重狀態(tài).mgN小于2.汽車過凹形橋(如圖2)圖2由此可知,汽車在最低點對橋面的壓力大于其自身重力,故凹形橋易被壓垮,汽車處于超重狀態(tài),因而實際中拱形橋多于凹形橋.Nmg得N .二、“旋轉秋千” 問題設計“旋轉秋千”的運動可簡化為圓錐擺模型(如圖3所示),當小球在水平面內做勻速圓周運動時,回答下列問題:

3、(1)小球受到幾個力的作用?什么力提供小球做圓周運動的向心力?答案受重力和繩子的拉力兩個力的作用;繩子的拉力和重力的合力提供小球做圓周運動的向心力.圖3(2)“旋轉秋千”纜繩與中心軸的夾角與什么有關(設人的質量為m,角速度為,繩長為l)?答案如圖所示,設纜繩與中心軸的夾角為,勻速圓周運動的半徑為rF合mgtan rlsin 由牛頓第二定律得F合m2r以上三式聯(lián)立得由此可以看出,纜繩與中心軸的夾角跟“旋轉秋千”的角速度和繩長有關,而與所乘坐人的體重無關.要點提煉1.運動特點:人及其座椅在 面內做勻速圓周運動,懸線旋轉形成一個 面.2.向心力:做圓錐擺運動的小球在水平面內做勻速圓周運動的向心力是由

4、其受到的重力和懸線拉力的合力F合提供,即F合 .3.圓周運動的半徑r .4.動力學方程:mgtan .水平圓錐mgtan lsin m2lsin 三、火車轉彎問題設計將火車轉彎時的運動看作勻速圓周運動.(1)如圖4所示,如果軌道是水平的,火車轉彎時受到哪些力的作用?什么力提供向心力?答案軌道水平時,火車受重力、支持力、軌道對輪緣的彈力、向后的摩擦力,向心力由軌道對輪緣的彈力來提供.圖4(2)(1)中獲得向心力的方法好不好?為什么?若不好,如何改進?答案這種方法不好,因為火車的質量很大,行駛的速度也不小,輪緣與外軌的相互作用力很大,鐵軌和車輪極易受損.改進方法:在轉彎處使外軌略高于內軌,使重力和

5、支持力的合力提供向心力,這樣外軌就不受輪緣的擠壓了.(3)當軌道平面與水平面之間的夾角為,轉彎半徑為R時,火車行駛速度多大軌道才不受擠壓?答案火車受力如圖所示,則要點提煉1.向心力來源:在鐵路轉彎處,內、外鐵軌有高度差,火車在此處依規(guī)定的速度行駛,轉彎時,向心力幾乎完全由_和 的合力提供,即F .2.規(guī)定速度:若火車轉彎時,火車輪緣不受軌道壓力,則mgtan ,故v0 ,其中R為彎道半徑,為軌道所在平面與水平面的夾角,v0為彎道規(guī)定的速度.重力G支持力Nmgtan (1)當vv0時,F(xiàn)F合,即轉彎時所需向心力等于支持力和重力的合力,這時內、外軌 ,這就是設計的限速狀態(tài).(2)當vv0時,F(xiàn)F合

6、,即所需向心力大于支持力和重力的合力,這時 對車輪有側壓力,以彌補向心力不足的部分.(3)當vv0時,F(xiàn)F合,即所需向心力小于支持力和重力的合力,這時 對車輪有側壓力,以抵消向心力過大的部分.均無側壓力外軌內軌四、離心運動問題設計1.用繩拉著小球在光滑水平面上做勻速圓周運動,當繩斷后小球做什么運動?答案繩斷后小球沿切線方向做勻速直線運動.2.做勻速圓周運動的物體如果某一時刻的合外力F合小于m ,物體做什么運動?答案物體將離開圓周,做離心運動.要點提煉1.離心運動:在做圓周運動時,由于合外力提供的向心力 或_,以致物體沿圓周運動的切線方向飛出或 而去的運動叫做離心運動.2.離心運動的實質離心運動

7、實質是物體慣性的表現(xiàn).做圓周運動的物體,總有沿著圓周切線飛出去的趨向,之所以沒有飛出去,是因為受到向心力的作用.一旦作為向心力的合外力突然消失或不足以提供向心力,物體就會發(fā)生離心運動.消失不足遠離圓心3.合力與向心力的關系對圓周運動的影響(如圖5所示)若F合m2r,物體做勻速圓周運動.若F合m2r,物體做近心運動.圖5典例精析一、汽車過拱形橋問題例1一輛質量m2 t的轎車,駛過半徑R90 m的一段凸形橋面,g10 m/s2,求:(1)轎車以10 m/s的速度通過橋面最高點時,對橋面的壓力是多大?解析轎車通過凸形橋面最高點時,受力分析如圖所示:根據牛頓第三定律,轎車在橋面最高點時對橋面壓力的大小

8、為1.78104 N.答案1.78104 N(2)在最高點對橋面的壓力等于零時,車的速度大小是多少?答案30 m/s二、圓錐擺模型例2如圖6所示,已知繩長為L0.2 m,水平桿長L0.1 m,小球質量m0.3 kg,整個裝置可繞豎直軸勻速轉動.g取10 m/s2,問:(1)要使繩子與豎直方向成45角,試求該裝置必須以多大的角速度轉動才行?(2)此時繩子的張力多大?圖6解析小球繞豎直軸做圓周運動,其軌道平面在水平面內,軌道半徑rLLsin 45.對小球受力分析如圖所示,設繩對小球拉力為T,則繩的拉力與小球重力的合力提供小球做圓周運動的向心力.對小球利用牛頓第二定律可得:mgtan 45m2rrL

9、Lsin 45聯(lián)立兩式,將數(shù)據代入可得6.44 rad/s答案(1)6.44 rad/s(2)4.24 N三、火車轉彎例3鐵路在彎道處的內、外軌道高度是不同的,已知內、外軌道平面與水平面的夾角為,如圖7所示,彎道處的圓弧半徑為R,若質量為m的火車轉彎時速度等于 ,則()A.內軌對內側車輪輪緣有擠壓B.外軌對外側車輪輪緣有擠壓C.這時鐵軌對火車的支持力等于D.這時鐵軌對火車的支持力大于圖7答案C四、對離心運動的理解例4如圖8所示,高速公路轉彎處彎道圓半徑R100 m,汽車輪胎與路面間的動摩擦因數(shù)0.23.最大靜摩擦力與滑動摩擦力相等,若路面是水平的,問汽車轉彎時不發(fā)生徑向滑動(離心現(xiàn)象)所允許的

10、最大速率vm為多大?當超過vm時,將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?(g9.8 m/s2)圖8解析在水平路面上轉彎,向心力只能由靜摩擦力提供,設汽車質量為m,則fmmg,代入數(shù)據可得vm15 m/s54 km/h.當汽車的速度超過54 km/h時,需要的向心力m 大于最大靜摩擦力,也就是說提供的合外力不足以維持汽車做圓周運動所需的向心力,汽車將做離心運動,嚴重的將會出現(xiàn)翻車事故.答案54 km/h汽車做離心運動或出現(xiàn)翻車事故課堂要點小結1.(交通工具的轉彎問題)公路急轉彎處通常是交通事故多發(fā)地帶.如圖9所示,某公路急轉彎處是一圓弧,當汽車行駛的速率為vc時,汽車恰好沒有向公路內外兩側滑動的趨勢,則在該彎道處(

11、)A.路面外側高內側低B.車速只要低于vc,車輛便會向內側滑動C.車速雖然高于vc,但只要不超出某一最高限度,車輛便不會向外側滑動D.當路面結冰時,與未結冰時相比,vc的值變小自我檢測圖9解析當汽車行駛的速度為vc時,路面對汽車沒有摩擦力,路面對汽車的支持力與汽車重力的合力提供向心力,此時要求路面外側高內側低,選項A正確.當速度稍大于vc時,汽車有向外側滑動的趨勢,因而受到向內側的摩擦力,當摩擦力小于最大靜摩擦力時,車輛不會向外側滑動,選項C正確.同樣,速度稍小于vc時,車輛不會向內側滑動,選項B錯誤.vc的大小只與路面的傾斜程度和轉彎半徑有關,與地面的粗糙程度無關,選項D錯誤.答案AC2.(

12、圓錐擺模型)如圖10所示,固定的錐形漏斗內壁是光滑的,內壁上有兩個質量相等的小球A和B,在各自不同的水平面做勻速圓周運動,以下物理量大小關系正確的是()A.速度vAvBB.角速度ABC.向心力FAFBD.向心加速度aAaB圖10知向心力FAFB,向心加速度aAaB,C、D錯;答案A3.(對離心運動的理解)如圖11所示,光滑水平面上,質量為m的小球在拉力F作用下做勻速圓周運動.若小球運動到P點時,拉力F發(fā)生變化,下列關于小球運動情況的說法中正確的是()A.若拉力突然變大,小球將沿軌跡Pb做離心運動B.若拉力突然變小,小球將沿軌跡Pb做離心運動C.若拉力突然消失,小球將沿軌跡Pa做離心運動D.若拉力突然變小,小球將沿軌跡Pc做近心運動圖11解析若拉力突然變大,則小球將做近心運動,不會沿軌跡Pb做離心運動,A錯誤.若拉力突然變小,則小球將做離心運動,但由于力與速度有一定的夾角,故小球將做曲線運動,B正確,D錯誤.若拉力突然消失,則小球將沿著P點處的切線運動,C正確.答案BC

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