物理：2.3《圆周运动的实例分析》2.4《圆周运动与人类文明(选学)》课件（教科版必修2）

欢迎进入物理课堂 第3节圆周运动的实例分析第4节圆周运动与人类文明 选学 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第3节 第4节 课前自主学案 课标定位 课标定位 应用 1 在具体问题中分析向心力来源并进行计算 2 求解变速圆周运动中物体在特殊点的向心力及向心加速度 理解 1 向心力 向心加速度也适用于变速圆周运动 2 生活中的实例中包含的圆周运动知识 认识 1 向心力是由一个力或几个力的合力提供 2 离心现象 物体做离心运动的条件 课前自主学案 一 汽车过拱形桥1 向心力来源 最高点和最低点 汽车做圆周运动 和桥面的 的合力提供向心力 重力 支持力 mg N 小于 N mg 大于 二 旋转秋千 旋转秋千 运动可简化为圆锥摆模型 如图2 3 3所示 图2 3 31 向心力来源 物体做匀速圆周运动的向心力是由物体所受的重力和悬线对它的 的合力提供 2 动力学关系 m 2r 又r 拉力 mgtan lsin 则 周期T 所以cos 由此可知 角度与角速度 和绳长l有关 在绳长l确定的情况下 角速度 越大 越大 三 火车转弯1 火车在弯道上的运动特点 火车车轮上突出的轮缘在铁轨上起到 的作用 如果火车在水平路基上转弯 对轮缘的弹力就是火车转弯的向心力 轮缘与外轨间的作用力 铁轨与轮缘极易受损 故实际在转弯处 火车的外轨 内轨 2 向心力的来源内外轨高度差 依据 和 适当选择内外轨的高度差 使转弯时所需的向心力几乎完全由 和 的合力来提供 限定方向 外轨 很大 略高于 轨道半径 规定的行驶速度 重力 支持力 四 离心运动1 定义 物体沿圆周运动的切线方向飞出或做逐渐 而去的运动 2 原因 合外力提供圆周运动的向心力 或不足 不存在受 离心力 的作用 3 离心机械 利用 运动的机械 远离圆心 消失 离心 思考感悟在近地轨道上 各国发射了很多的航天器 如卫星 空间站 各种探测器 还随时发射宇宙飞船 航天飞机 假设这些航天器都做匀速圆周运动 设想地球的引力突然消失 它们将怎样运动 提示 这些航天器在引力作用下做匀速圆周运动 若引力突然消失 它们将沿该时刻的速度方向做匀速直线运动 即沿切线方向飞出 核心要点突破 一 对火车转弯问题的理解1 图2 3 4 2 明确圆周平面虽然外轨高于内轨 但整个外轨是等高的 整个内轨是等高的 因而火车在行驶的过程中 重心的高度不变 即火车重心的轨迹在同一水平面内 故火车的圆周平面是水平面 而不是斜面 即火车的向心加速度和向心力均是沿水平面而指向圆心 3 速度与轨道压力的关系 1 当火车行驶速度v等于规定速度v0时 所需向心力仅由重力和弹力的合力提供 此时内外轨道对火车无挤压作用 2 当火车行驶速度v与规定速度v0不相等时 火车所需向心力不再仅由重力和弹力的合力提供 此时内外轨道对火车轮缘有挤压作用 具体情况如下 当火车行驶速度v v0时 外轨道对轮缘有侧压力 当火车行驶速度v v0时 内轨道对轮缘有侧压力 特别提醒 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 以减小车轮受到地面施加的侧向挤压 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 为满足我国经济迅速发展的需要 我国的铁路运输经过了多次提速 当火车运行速度从120km h提高到200km h时 为使转弯处铁轨不受侧压力 在对转弯处铁路改造时 下列做法可行的是 A 使内 外轨的高度差适当增大些B 使内 外轨的高度差适当减小些C 适当增加火车的质量D 适当增大转弯的半径 二 对离心运动的理解1 离心运动的实质离心运动是物体逐渐远离圆心的一种物理现象 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方向飞出去的趋势 之所以没有飞出去 是因为受到向心力作用的缘故 从某种意义上说 向心力的作用是不断地把物体从圆周运动的切线方向拉到圆周上来 一旦作为向心力的合外力突然消失 物体就会沿切线方向飞出去 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 或者合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 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 而是由于合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 合外力与向心力的关系 如图2 3 5 图2 3 5 特别提醒 1 离心运动并不是受 离心力 的作用产生的运动 2 离心运动并不是沿半径方向向外远离圆心的运动 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 物体做离心运动时 运动轨迹的形状为 A 一定是直线B 一定是曲线C 可能是直线也可能是曲线D 可能是一个圆解析 选C 当物体所受的合外力突然消失时 物体将沿切线方向飞出做直线运动 当物体所受的合外力不足以提供它所需要的向心力时 物体做离心越来越远的曲线运动 故选C 2 轻杆模型图2 3 7如图2 3 7所示 在细轻杆上固定的小球或在管形轨道内运动的小球 由于杆和管能对小球产生向上的支持力 所以小球能在竖直平面内做圆周运动的条件是在最高点的速度大于或等于零 小球的受力情况为 特别提醒 对竖直平面内的圆周运动 1 要明确运动的模型 即绳或杆 2 由不同模型的临界条件分析受力 找到向心力的来源 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 2011年杭州高一检测 如图2 3 8所示 用长为L的细绳拴着质量为m的小球在竖直平面内做圆周运动 正确的说法是 图2 3 8 A 小球在圆周最高点时所受的向心力一定为重力B 小球在最高点时绳子的拉力有可能为零C 若小球刚好能在竖直平面内做圆周运动 则其在最高点的速率为0D 小球过最低点时绳子的拉力一定大于小球重力 课堂互动讲练 如图2 3 9所示 质量m 2 0 104kg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60m 如果桥面承受的压力不得超过3 0 105N 则 图2 3 9 1 汽车允许的最大速率是多少 2 若以所求速率行驶 汽车对桥面的最小压力是多少 g取10m s2 思路点拨 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 方法总结 1 过凹形桥最低点时 汽车的加速度方向竖直向上 处于超重状态 为使对桥压力不超出最大承受力 汽车有最大行驶速度限制 2 应用牛顿第二定律列方程时 应取加速度方向为正方向 3 汽车对桥的压力与桥对汽车的支持力是作用力与反作用力 有一列重为100t的火车 以72km h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道 轨道半径为400m g取10m s2 1 试计算铁轨受到的侧压力 2 若要使火车以此速率通过弯道 且使铁轨受到的侧压力为零 我们可以适当倾斜路基 试计算路基倾斜角度 的正切值 思路点拨 1 问中 外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力 2 问中 重力和铁轨对火车的支持力的合力提供火车转弯的向心力 方法总结 解决这类题目首先要明确物体转弯做的是圆周运动 其次要找准物体做圆周运动的平面及圆心 理解向心力的来源是物体所受的合力 变式训练2路基略倾斜 火车在拐弯时 对于向心力的分析 正确的是 A 由于火车本身作用而产生了向心力B 主要是由于内外轨的高度差的作用 车身略有倾斜 车身所受重力的分力产生了向心力C 火车在拐弯时的速率小于规定速率时 内轨将给火车侧压力 侧压力就是向心力D 火车在拐弯时的速率大于规定速率时 外轨将给火车侧压力 侧压力作为火车拐弯时向心力的一部分 图2 3 11如图2 3 11所示 高速公路转弯处弯道圆半径R 100m 汽车轮胎与路面间的动摩擦因数 0 23 若路面是水平的 问汽车转弯时不发生径向滑动 离心现象 所许可的最大速率vm为多大 当超过vm时 将会出现什么现象 g 9 8m s2 思路点拨 明确向心力的来源和理解离心运动产生的原因是求解本题的关键 也就是说实际所受的摩擦力不足以维持汽车做圆周运动所需的向心力 汽车将做离心运动 严重的将会出现翻车事故 答案 54km h汽车做离心运动或出现翻车 变式训练3下列关于离心现象的说法正确的是 A 当物体所受的离心力大于向心力时产生离心现象B 做匀速圆周运动的物体 当它所受的一切力都消失时 它将做背离圆心的圆周运动C 做匀速圆周运动的物体 当它所受的一切力都突然消失时 它将沿切线做直线运动D 做匀速圆周运动的物体 当它所受的一切力都消失时 它将做曲线运动 长L 0 5m的轻杆 其一端连接着一个零件A A的质量m 2kg 现让A在竖直平面内绕O点做匀速圆周运动 如图2 3 12所示 在A通过最高点时 求下列两种情况下A对杆的作用力 图2 3 12 1 A的速率为1m s 2 A的速率为4m s g 10m s2 答案 见精讲精析 方法总结 A经过最高点时 杆对A的弹力必沿杆的方向 但它可以给A向下的拉力 也可以给A向上的支持力 在事先不易判断该力是向上还是向下的情况下 可先采用假设法 例如先假设杆向下拉A 若求解结果为正值 说明假设方向正确 若求解结果为负值 说明实际的弹力方向与假设方向相反 变式训练4长L 0 5m的细绳拴着小水桶绕固定轴在竖直平面内转动 桶中有质量m 0 5kg的水 g取10m s2 求 1 在最高点时 水不流出的最小速率是多少 2 在最高点时 若速率v 3m s 水对桶底的压力为多大 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全