高中物理人教版 (2019)必修 第二册4 生活中的圆周运动课文内容课件ppt

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1．能根据所学知识分析生活中的各种圆周运动现象，在此过程中体会模型建构的方法。2．知道航天器中的失重现象。3．观察生活中的离心现象，知道离心运动产生的原因，了解其在生活中的应用，并知道离心运动所带来的危害。
同学们，你们了解有关高铁技术的一些参数么？观察下表，试找出高铁时速与最小曲线半径的规律？
在铁路弯道处，内、外轨道的高度一样吗？
竖直面内圆周运动的临界问题
正常行驶时，火车轨道的内外轨是一样高的。如果在火车转弯时，火车在这样的轨道上行驶会发生什么？
外轨对轮缘的弹力F提供向心力,F=F向
火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨.
如果外轨略高于内轨，情况又如何呢？
再以火车为研究对象进行受力分析，确定提供的向心力大小.
通过对比发现，如果使外轨略高于内轨，火车转弯时铁轨对火车的支持力与重力的合力指向圆心，提供了一部分向心力，这就减轻了轮缘与外轨间的挤压。
先确定轨道平面，是1，还是2？
我们如何计算这种情况下的向心力呢？
火车转弯的临界速度的推导
我们先假设火车某次过倾角为θ的弯道时，火车与轨道之间没有挤压，求此时的速度v0：
火车转弯的向心力由重力与轨道对火车的支持力提供
火车转弯时速度和轮缘与轨道之间的相互作用
由以上分析可以看到，根据弯道半径和规定的行驶速度，选择合适的内外轨的高度差h ,可以使火车转弯时所需向心力几乎完全由重力和支持力的合力提供.
（3）如果火车行驶速度v（2）如果火车行驶速度v>v0
轮缘受到外轨向内的挤压力, 外轨易损坏。
（1）如果火车行驶速度v=v0
轮缘不受侧向压力,最安全的转弯速度。
轮缘受到内轨向外的挤压力, 内轨易损坏。
铁路弯道处超速是火车脱轨和翻车的主要原因。
观看视频。高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的斜度。说说这样设计的原因？
(多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带．如图所示，某公路急转弯处是一圆弧，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
二、汽车过拱形桥和凹形桥
生活中，常见桥有很多种，下面先讨论经过拱形桥的情景。
质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，试画出受力分析图，分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力．
由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力：
下面先讨论经过凹形桥的情景。
下面自己分析汽车通过凹形桥最低点时，汽车对桥的压力比汽车的重力大些还是小些?
由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力
三、航天器中的失重现象
地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径.会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？……
该“问题探究”中描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中．
航天器在发射升空（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？
航天器在轨道正常运行（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？
航天器绕地球做匀速圆周运动，假设它的线速度的大小为v ，轨道半径近似等于地球半径R ，航天员受到的地球引力近似等于他在地面测得的体重mg .
有人把航天器失重的原因说成是它离地球太远，从而摆脱了地球引力，这种说法对吗？
上述观点是错误。正是由于地球引力的存在，才使航天器连同其中的人和物体环绕地球做圆周运动。若没有引则不会绕地球做圆周运动。
当 时，座舱对航天员的支持力为多少？
如果旋转桌子的速度较小，物品能随着桌子一起转动；如果速度变大，物体将会“飞出去”，这是什么原因呢？
将生活中的场景，抽象为物理模型
静摩擦力提供了向心力，如果最大静摩擦力等于滑动摩擦力
当v>v0，合力不足以提供物体做圆周运动的向心力，物体将远离圆心，而 “飞出去”。
F合 = mω2r，物体做匀速圆周运动
F合＜mω2r ，物体做逐渐远离圆心的运动
F 合= 0 ，物体沿切线方向飞出远离圆心
定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不 足以提供圆周运动所需的向心力时，做逐渐远离圆心的 运动，这种运动叫做离心运动.
要使原来作匀速圆周运动的物体作离心运动，该怎么办？
（1）提高转速，使所需向心力增大到大于物体所受合外力.
（2）减小合外力或使其消失.
在水平公路上行驶的汽车，转弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的.如果转弯时速度过大，所需向心力Fn大于最大静摩擦力Fmax （Fmax不足以提供向心力），汽车将做离心运动而造成交通事故.因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度.
要防止离心现象发生，该怎么办？
（1）减小物体运动的速度，使物体作圆周运动时所需的向心力减小.
（2）增大合外力，使其达到物体作圆周运动时所需的向心力.
关于离心运动，下列说法中正确的是(　　)A．物体一直不受外力作用时，可能做离心运动B．在外界提供的向心力突然变大时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动C．只要向心力的数值发生变化，原来做匀速圆周运动的物体就将做离心运动D．当外界提供的向心力突然消失或数值变小时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动
四、竖直面内圆周运动的临界问题
“水流星”是我国传统的杂技节目，演员将盛水的容器用绳子拴住，在空中如流星般快速舞动，同时表演高难度的动作。你知道水为什么洒出来吗？
竖直平面内的圆周运动，一般情况下是变速圆周运动，物体能否通过最高点是有条件的。
轻绳（或内轨道）——小球组成无支撑的物理模型（称为“轻绳模型”）
注：“轻绳”只能对小球产生拉力，不能产生支持力。（内轨道约束类似）
假设质量为m的小球达到最高点时的速度为v,受到绳子的拉力为T，则根据牛顿第二定律，可以得出
当T=0时，小球再做高点的速度为最小，即：
（1）小球恰好能达到最高点的临界条件是：
小球在最高点时，绳子恰好对小球没有力的作用。
（2）小球恰好能通过最高点的条件是 ： ， 当 绳子有拉力（轨道对球有压力）。
（3）当 ，小球还未达到最高点就离开轨道。
轻杆（或管道）——小球组成有支撑的物理模型（称为“轻杆模型”）
注：“轻杆”既能对小球产生拉力，也能产生支持力。（管道约束类似）
球过最高点时，设轻杆对小球产生的弹力FN方向向上。由牛顿第二定律得：
由此可知：弹力FN的大小和方向随着经最高点时速度v的大小的变化而变化。
（1）小球恰好能达到最高点的临界条件是： ， 故而V0>0就可以通过最高点。
（2） 当 ，FN为支持力，方向竖直向上，且随着速度增大而减小。
（3）当 ，FN=0。
（4）当 ，FN为拉力，方向竖直向下，且随着速度增大而增大。
如图所示，一个小球沿竖直固定的光滑圆形轨道的内侧做圆周运动，圆形轨道的半径为R，小球可看作质点，则关于小球的运动情况，下列说法正确的是（ ） A. 小球的线速度方向时刻在变化，但总在圆周切线方向上B. 小球通过最高点的速度可以等于0C. 小球线速度的大小可以小于 D. 小球线速度的大小总大于或等于
1．讨论向心力的来源2．外轨高于内轨时重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力3．讨论：为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制?
1．离心现象的分析与讨论．2．离心运动的应用和防止．
1．思考：汽车过拱形桥时，对桥面的压力 与重力谁大?2．圆周运动中的超重、失重情况．
1．轻绳模型2．轻杆模型
1、火车以半径R= 900 m转弯，火车质量为8×105kg ，速度为30m/s，火车轨距l=1.4 m，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨道应该垫的高度h？（θ较小时tanθ=sinθ）
2、一辆汽车匀速率通过半径为R的圆弧拱形路面，关于汽车的受力情况，下列说法正确的是（ ）A、汽车对路面的压力大小不变，总是等于汽车的重力B、汽车对路面的压力大小不断发生变化，总是小于汽车所受重力C、汽车的牵引力不发生变化D、汽车的牵引力逐渐变小
3、质量为m的小球，用一条绳子系着在竖直平面内做圆周运动，小球到最高点时的速度为v，到达最低点时的速度为 ，则小球通过上述两位置处时绳子所受的张力之差是( ) A.6mg B.5mg C.4mg D.2mg
4.如图所示，一条不可伸长的轻绳上端悬挂于O点，下端系一质量m＝1.0 kg的小球。现将小球拉到A点（保持绳绷直）由静止释放，当它经过B点时绳恰好被拉断，小球平抛后落在水平地面上的C点，地面上的D点与OB在同一竖直线上，已知绳长 L＝1.0 m，B点离地高度 H＝1 .0 m，A、B两点的高度差 h＝0.5 m，重力加速度g取10 m/s2，不计空气阻 力，求：（1）地面上D、C两点间的距离s；（2）轻绳所受的最大拉力大小。
答案：(1)1.41m,(2)20N