物理人教版必修二 第五章 第七節(jié)《生活中的圓周運(yùn)動(dòng)》課件

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第七節(jié)生活中的圓周運(yùn)動(dòng) 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 會(huì)分析具體圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題中向心力的來(lái)源 能解決生活中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題 2 了解航天器中的失重現(xiàn)象及原因 3 了解離心運(yùn)動(dòng)及物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件 知道離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用及危害 重點(diǎn)難點(diǎn) 利用物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件分析 解決實(shí)際問(wèn)題 一 鐵路的彎道 自主探究 火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力1 火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析火車轉(zhuǎn)彎時(shí)做的是圓周運(yùn)動(dòng) 因而具有向心加速度 需要提供向心力 2 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題如果轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外軌一樣高 則由外軌對(duì)輪緣的彈力提供向心力 這樣鐵軌和車輪極易受損 3 解決方案 1 轉(zhuǎn)彎處外軌 內(nèi)軌 2 鐵軌對(duì)火車的支持力不是豎直向上的 而是斜向彎道的 略高于 內(nèi)側(cè) 3 鐵軌對(duì)火車的支持力與火車所受重力的合力指向軌道的圓心 它提供了火車做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力 成功發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎處外軌略高于內(nèi)軌 火車所受支持力與所受重力的合力恰好等于向心力 鐵軌與輪緣之間 彈力 這樣就避免了鐵軌和車輪受損 沒(méi)有 二 拱形橋1 向心力來(lái)源汽車過(guò)拱形橋時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng) 所需向心力由 和橋面的 提供 2 拱形橋上的受力特點(diǎn) 1 汽車在凸形橋的最高點(diǎn)時(shí) 如圖5 7 1所示 重力 支持力 注意 汽車運(yùn)動(dòng)到凸形橋的最高點(diǎn)時(shí)處于失重狀態(tài) 運(yùn)動(dòng)到凹形橋的最低點(diǎn)時(shí)處于超重狀態(tài) 完全失重 完全失重 注意 把航天器失重的原因說(shuō)成是它離地球太遠(yuǎn) 從而擺脫了地球引力 是完全錯(cuò)誤的 四 離心運(yùn)動(dòng)1 定義 在向心力突然消失或合力不足以提供所需的向心力時(shí) 物體沿 飛出或做 的運(yùn)動(dòng) 2 應(yīng)用 洗衣機(jī)脫水桶 紡織廠和煉鋼廠也常采用離心技術(shù) 切線 逐漸遠(yuǎn)離圓心 圖5 7 3 2 明確圓周平面雖然外軌高于內(nèi)軌 但整個(gè)外軌和整個(gè)內(nèi)軌都是等高的 因而火車在行駛的過(guò)程中重心的軌跡在同一水平面內(nèi) 故火車的向心加速度和向心力均是沿水平面而指向圓心的 3 速度與軌道壓力的關(guān)系 1 當(dāng)v v0時(shí) 所需向心力僅由重力和彈力的合力提供 此時(shí)內(nèi)外軌道對(duì)輪緣無(wú)擠壓作用 2 當(dāng)v v0時(shí) 外軌道對(duì)輪緣有側(cè)壓力 3 當(dāng)v v0時(shí) 內(nèi)軌道對(duì)輪緣有側(cè)壓力 特別提醒 汽車 摩托車賽道拐彎處 高速公路轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)成外高內(nèi)低 也是盡量使車受到的重力和支持力的合力提供向心力 以減小車輪受到地面施加的側(cè)向摩擦力 鐵路轉(zhuǎn)彎的圓弧半徑是300m 軌距是1435mm 規(guī)定火車通過(guò)這里的速度是72km h 內(nèi)外軌的高度差該是多大時(shí)才能使鐵軌不受輪緣的擠壓 保持內(nèi)外軌的這個(gè)高度差 如果車的速度大于或小于72km h 會(huì)分別發(fā)生什么現(xiàn)象 說(shuō)明理由 思路點(diǎn)撥 求解該題應(yīng)把握以下兩點(diǎn) 1 火車轉(zhuǎn)彎的向心力由重力和支持力的合力提供 2 vv0外側(cè)輪緣受擠壓 精講精析 1 火車在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力在 臨界 狀態(tài)時(shí)由火車所受的重力和軌道對(duì)火車的支持力的合力提供 如圖5 7 4所示 圖中h為內(nèi)外軌的高度差 d為軌距 圖5 7 4 2 如果車速v 72km h 20m s F將小于需要的向心力 所差的需由外軌對(duì)輪緣的彈力來(lái)彌補(bǔ) 這樣會(huì)出現(xiàn)外側(cè)車輪向外擠壓外軌的現(xiàn)象 如果車速v 72km h F將大于需要的向心力 超出的則由內(nèi)軌對(duì)內(nèi)側(cè)車輪輪緣的壓力來(lái)平衡 這樣就出現(xiàn)內(nèi)側(cè)車輪的輪緣向內(nèi)擠壓內(nèi)軌的現(xiàn)象 答案 1 0 195m 2 見(jiàn)精講精析 名師點(diǎn)評(píng) 1 火車以規(guī)定速度通過(guò)彎道時(shí) 是由重力與支持力的合力提供向心力 其合力沿水平方向指向圓心 2 車輛在水平路面上轉(zhuǎn)彎時(shí) 摩擦力提供向心力 變式訓(xùn)練1 在高速公路的拐彎處 路面造得外高內(nèi)低 即當(dāng)車向右拐彎時(shí) 則左側(cè)的路面比右側(cè)的要高一些 路面與水平面間的夾角為 設(shè)拐彎路段是半徑為R的圓弧 要使車速為v時(shí)車輪與路面之間的橫向 即垂直于前進(jìn)方向 摩擦力等于零 應(yīng)滿足 如圖5 7 6所示 質(zhì)量m 2 0 104kg的汽車以不變的速率先后駛過(guò)凹形橋面和凸形橋面 兩橋面的圓弧半徑均為60m 如果橋面承受的壓力不得超過(guò)3 0 105N 則 圖5 7 6 1 汽車允許的最大速率是多少 2 若以所求速度行駛 汽車對(duì)橋面的最小壓力是多少 g取10m s2 思路點(diǎn)撥 首先判斷汽車在何位置對(duì)路面的壓力最大 最小 然后利用向心力公式求解 變式訓(xùn)練2 2012 大同一中高一月考 飛行員的質(zhì)量為m 駕駛飛機(jī)在豎直平面內(nèi)以速率v做半徑為r勻速圓周運(yùn)動(dòng) 在其運(yùn)動(dòng)圓周的最高點(diǎn)和最低點(diǎn) 飛行員對(duì)座椅產(chǎn)生的壓力是 A 在最低點(diǎn)比最高點(diǎn)大2mv2 rB 相等C 在最低點(diǎn)比最高點(diǎn)大2mgD 在最高點(diǎn)的壓力大些 1 離心運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)離心運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)是物體慣性的表現(xiàn) 做圓周運(yùn)動(dòng)的物體 總有沿著圓周切線飛出去的趨向 之所以沒(méi)有飛出去 是因?yàn)槭艿较蛐牧ψ饔玫木壒?從某種意義上說(shuō) 向心力的作用是不斷地把物體從圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向拉到圓周上來(lái) 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(huì)發(fā)生離心運(yùn)動(dòng) 2 合外力與向心力的關(guān)系 如圖5 7 7所示 圖5 7 7 特別提醒 1 離心運(yùn)動(dòng)并不是受到離心力的作用產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng) 2 離心運(yùn)動(dòng)并不是沿半徑方向向外遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng) 如圖5 7 8所示 高速公路轉(zhuǎn)彎處彎道圓半徑R 50m 汽車輪胎與路面間的最大靜摩擦力是車重的0 8倍 若路面是水平的 問(wèn)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)不發(fā)生徑向滑動(dòng) 離心現(xiàn)象 所許可的最大速率vm為多大 當(dāng)超過(guò)vm時(shí) 將會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象 g 10m s2 圖5 7 8 答案 72km h汽車發(fā)生側(cè)滑或出現(xiàn)翻車 變式訓(xùn)練3 下列關(guān)于離心現(xiàn)象的說(shuō)法正確的是 A 當(dāng)物體所受離心力大于向心力時(shí)產(chǎn)生離心現(xiàn)象B 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體 當(dāng)它所受的一切力都消失時(shí) 它將做背離圓心的運(yùn)動(dòng)C 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體 當(dāng)它所受的一切力都消失時(shí) 它將沿切線做直線運(yùn)動(dòng)D 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體 當(dāng)它所受的一切力都消失時(shí) 它將做曲線運(yùn)動(dòng) 解析 選C 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體的向心力是效果力 產(chǎn)生離心現(xiàn)象的原因是F合 mr 2 或是F合 0 F突然消失 故A項(xiàng)錯(cuò) 當(dāng)F 0時(shí) 根據(jù)牛頓第一定律 物體從這時(shí)起沿切線做勻速直線運(yùn)動(dòng) 故C項(xiàng)對(duì) B D項(xiàng)錯(cuò) 豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題物體在豎直平面內(nèi)做變速圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題 中學(xué)物理中只研究物體通過(guò)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的情況 并且經(jīng)常出現(xiàn)臨界狀態(tài) 下面對(duì)臨界問(wèn)題做簡(jiǎn)要分析 2 能過(guò)最高點(diǎn)的條件 v v臨 3 不能通過(guò)最高點(diǎn)的條件 v v臨 實(shí)際上物體在到達(dá)最高點(diǎn)之前就脫離了圓軌道 圖5 7 9 經(jīng)典案例 9分 一細(xì)桿與水桶相連 水桶中裝有水 水桶與細(xì)桿一起在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng) 如圖5 7 11所示 水的質(zhì)量m 0 5kg 水的重心到轉(zhuǎn)軸的距離l 60cm 圖5 7 11 1 若在最高點(diǎn)水不流出來(lái) 求桶的最小速率 2 若在最高點(diǎn)的水桶速率v 3m s 求水對(duì)桶底的壓力 g取9 8m s2 思路點(diǎn)撥 以水桶中的水為研究對(duì)象 在最高點(diǎn)水恰好不流出來(lái) 說(shuō)明水的重力恰好提供其做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力 此時(shí)桶的速率最小 答案 1 2 42m s 2 2 6N方向豎直向上 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全