高一物理生活中的圆周运动

1、2021/3/2317 、生活中的圆周运动、生活中的圆周运动2021/3/2322021/3/2332021/3/2342021/3/2352021/3/236F合rTmrmrvm2222供需供需平衡平衡 物体做匀速圆周运动提供物体做匀速圆周运动的力(受力分析)物体做匀速圆周运动所需的力向心力公式的理解=从从供供需需两方面两方面研究做圆周运动的物体2021/3/237汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢?O mgFNFf问题1、汽车转弯2021/3/238汽车在水平路面上转弯所需要的向心力来源:汽车侧向所受的静摩擦力。RvmFFfn2即：OmgFNFf当汽车转弯的半径一定时,汽车的速度v

2、越大,所需的向心力也越大,静摩擦力也越大,当静摩擦力为最大静摩擦力时:gRvRvmmgFn22021/3/239 当汽车沿圆周转弯时,存在一个安全通过的最大速度,如果超过了这个速度,汽车将发生侧滑现象。改进措施:(1)增大转弯半径(2)增加路面的粗糙程度2021/3/2310观察下面两幅图片观察下面两幅图片,赛道及公路弯道有什么特点赛道及公路弯道有什么特点?为为什么要这样设计什么要这样设计? 路面是倾斜的路面是倾斜的 2021/3/2311思考一道例题思考一道例题例例:球沿光滑圆锥内壁在水平面内做匀速圆周运动球沿光滑圆锥内壁在水平面内做匀速圆周运动,如图。试分析向心力的来源。（圆锥摆模型）如图

3、。试分析向心力的来源。（圆锥摆模型）NGmgNsin向FNcos2021/3/2312结论结论将路面倾斜的原因是让支持力与竖直方向成一角将路面倾斜的原因是让支持力与竖直方向成一角度度,这样支持力的水平分力就可以提供部分向心这样支持力的水平分力就可以提供部分向心力力,减小静摩擦力的负担。减小静摩擦力的负担。 讨论讨论:如果倾斜路面是光滑的如果倾斜路面是光滑的,汽车还能转弯吗汽车还能转弯吗? 如果能如果能,对速度有什么要求对速度有什么要求? 2021/3/2313问题问题:如果倾斜路面是光滑的如果倾斜路面是光滑的,汽车还能转弯吗汽车还能转弯吗? 如果能如果能,对速度有什么要求对速度有什么要求? 能

4、能,根据上面例题可知根据上面例题可知,即使没有摩擦力即使没有摩擦力,只靠只靠重力与支持力的合力充当向心力也可以做圆周运动，重力与支持力的合力充当向心力也可以做圆周运动，此时的速度是个定值此时的速度是个定值,假设路面与水平面夹角为假设路面与水平面夹角为，则有则有 tantan2grvmgrvm问题问题:如果汽车转弯速度大于这个值呢如果汽车转弯速度大于这个值呢?或者小或者小 于这个值呢于这个值呢? 如果大于这个值如果大于这个值,则汽车向上滑则汽车向上滑,如果小于这个如果小于这个值值,则向下滑。则向下滑。 2021/3/2314问题问题2、火车转弯、火车转弯2021/3/2315火车车轮与铁轨的构造

5、是怎样的火车车轮与铁轨的构造是怎样的? 轮缘2021/3/2316问题问题:如果火车在水平弯道上转弯如果火车在水平弯道上转弯,试分析其受试分析其受 力情况及向心力的来源。力情况及向心力的来源。 火车受重力、支持力和轮缘与外轨挤压产生的弹力火车受重力、支持力和轮缘与外轨挤压产生的弹力,向心力由轮缘与外轨挤压产生的弹力提供。向心力由轮缘与外轨挤压产生的弹力提供。FF2021/3/2317问题问题:实际中的铁路弯道是如何设计的实际中的铁路弯道是如何设计的?为什么为什么要这样设计要这样设计? 实际铁路弯道是倾斜的实际铁路弯道是倾斜的,外轨高于内轨。原因是如外轨高于内轨。原因是如果弯道是水平的果弯道是水

6、平的,仅靠轨道挤压产生的弹力提供向仅靠轨道挤压产生的弹力提供向心容易损坏车轮与轨道。所以采取倾斜路面心容易损坏车轮与轨道。所以采取倾斜路面,让重让重力和支持力的合力提供部分向心力的方法。力和支持力的合力提供部分向心力的方法。FmgFN2021/3/2318rvmmgF2tantanrgv 2021/3/2319F弹弹F弹弹0tanvgr 供需供需不平衡不平衡2021/3/2320问题问题:当火车提速后当火车提速后,如何对旧的铁路弯道进行改如何对旧的铁路弯道进行改 造造?内外轨的高度差内外轨的高度差h如何确定如何确定? tan20mgrvmLhtgsinrvmLhmg2grvLh2因为角度很小因

7、为角度很小,所以所以2021/3/2321列车速度过快,造成翻车事故2021/3/23221、汽车过拱桥质量为m 的汽车以恒定的速率v通过半径为r的拱桥,如图所示,求汽车在桥顶时对路面的压力是多大?问题3、汽车过桥2021/3/2323解:汽车通过桥顶时,受力如图:mgFNOr由牛顿第二定律:由牛顿第三定律:当汽车通过桥顶时的速度逐渐增大时FN 和 FN会怎样变化?FfF2NvmgFmr2NvFmgmr2NNvFFmgmr失重2021/3/2324问题问题:当汽车在最高点对桥的压力为当汽车在最高点对桥的压力为0时时,汽车的汽车的 速度是多大速度是多大?这又是一种怎样的状态这又是一种怎样的状态?

8、此时此时 人对座椅的压力是多大？从该时刻以后人对座椅的压力是多大？从该时刻以后,汽汽 车将做什么运动？还能沿桥面做圆周运动下车将做什么运动？还能沿桥面做圆周运动下 桥吗？桥吗？ grvrvmmg2完全失重状态完全失重状态 人对座椅的压力也是人对座椅的压力也是0,人也处于完全失重状态人也处于完全失重状态汽车将做平抛运动汽车将做平抛运动,不能沿桥面下桥了不能沿桥面下桥了 2021/3/23252021/3/2326grv skmsm/9 . 7/100064008 . 9此时:第一宇宙速度2vmgmr解：由可知：2021/3/2327你见过凹形桥吗?2021/3/2328 拓展:质量为m的汽车以恒

9、定的速率v通过半径为r的凹形桥面,如图所示,求汽车在最低点时对桥面的压力是多大?解:汽车通过底部时,受力如图:GFN由牛顿第二定律:当汽车通过桥最低点时的速度逐渐增大时 FN和FN怎样变化?由牛顿第三定律:FFf2NvFmgmr2NvFmgmr2NNvFFmgmr超重2021/3/2329比较三种桥面受力的情况rvmFGN2FN = GrvmGFN2GFNGGFNFN2021/3/2330问题问题4 4、航天器中的失重现象、航天器中的失重现象 什么维持近地航天器做圆周运动什么维持近地航天器做圆周运动?万有引力万有引力2021/3/2331 设航天器质量为设航天器质量为M M, ,它绕地球做匀速

10、圆周运动它绕地球做匀速圆周运动, ,其其轨道半径近似等于地球半径轨道半径近似等于地球半径R R, ,航天员的质量为航天员的质量为m m，宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在地面上的重力，试求飞船速度多大们在地面上的重力，试求飞船速度多大? ?座舱对座舱对宇航员的支持力多大宇航员的支持力多大? ?RvM：Mg2近地航天器gRv RvmF：mgN2航天器中宇航员02Rvmmg：FN故完全失重完全失重!2021/3/2332航天员失重状态下移动身体航天员失重状态下移动身体2021/3/2333 杂技演员在做水流星表演时杂技演员在做水流星表演时,用绳系着

11、装有水的水桶用绳系着装有水的水桶,在竖直平面内做圆周运动在竖直平面内做圆周运动,大家讨论一下满足什么条件水才大家讨论一下满足什么条件水才能从水出桶中流出来。若水的质量能从水出桶中流出来。若水的质量M=0.5kg，绳，绳L=60cm，求求: （1）最高点水不流出的最小速率。）最高点水不流出的最小速率。 （2）水在最高点速率训）水在最高点速率训v=3 ms时，水对桶底的压力。时，水对桶底的压力。 问题问题5 5、水流星节目、水流星节目 2021/3/2334 解析解析: （1 1）在最高点水不流出的条件是重力不）在最高点水不流出的条件是重力不大于水做圆周运动需要的向心力大于水做圆周运动需要的向心力

12、: : 则所求最小速率则所求最小速率: :20vmgml00.6 9.8/2.42/vglm sm s 2021/3/2335 （2 2）当水在最高点的速率大于）当水在最高点的速率大于v0 0 时时, ,只靠重力提供向心力已不足只靠重力提供向心力已不足, ,此时水桶底此时水桶底对水有一向下的压力对水有一向下的压力, ,设为设为 F FN N 由牛顿第二定律有由牛顿第二定律有 由牛顿第三定律可知，水对水底的作用由牛顿第三定律可知，水对水底的作用力竖直向上力竖直向上lvmmgFN222.6NvFmmgNl2.6NNFFN2021/3/2336 1 1、做圆周运动的物体、做圆周运动的物体, ,在其所

13、受合外力突在其所受合外力突然消失然消失, ,或不足以提供圆周运动所需向心力的情或不足以提供圆周运动所需向心力的情况下况下, ,就做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做就做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动。离心运动。问题问题6、离心运动、离心运动作离心运动的条件作离心运动的条件:nFFF合合或02Fmr0F 2Fmr2021/3/2337 o 做匀速圆周运动的物体,由于惯性总有沿切线方向飞去的倾向,在合外力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下,做逐渐远离圆心的离心运动;当合外力大于物体做圆周运动所需的向心力时,物体做离圆心越来越近的向心运动;只有当合外力等于所需的向心力时,物体

14、才可能做匀速圆周运动。F拉=m2rF拉m2rF拉m2rF拉=02、合外力与向心力的关系供需是否平衡决定物体做何种运动2021/3/23383、离心运动的应用和防止(1)离心运动的应用甩干雨伞上的水滴链球运动 在田径比赛中,链球项目就是得用离心现象来实现投掷的。链球的投掷是通过预摆和旋转来完成的,运动员手持链球链条的一端,在链球高速旋转时,突然松手,拉力消失,链就沿切线方向飞出去。 在雨天,我们可以通过旋转雨伞的方法甩干雨伞上的水滴,旋转时,当转动快到一定的程度时,水滴和雨伞之间的附着力满足不了水滴做圆周运动所需的向心力,水滴就会做远离圆心的运动而被甩出去。2021/3/2339 把湿布块放在离

15、心干燥器的金属网笼里,网笼转得比较慢时,水滴跟物体的附着力 F足以提供所需要的向心力,使水滴做圆周运动,当网笼转的比较快时,附着力 F 不足以提供所需要的向心力,于是水滴做离心运动,穿过网孔,飞到网笼外面。洗衣机的脱水筒也是利用离心运动把湿衣服甩干的。 1.离心干燥器oFm2rFv2021/3/2340、制作、制作“棉花棉花”糖的原理糖的原理: :内筒与洗衣机的脱水筒内筒与洗衣机的脱水筒相似相似, ,往内筒加入白砂糖往内筒加入白砂糖, ,加热使糖熔化成糖汁加热使糖熔化成糖汁, ,内内筒高速旋转，黏稠的糖筒高速旋转，黏稠的糖汁就做离心运动，从内汁就做离心运动，从内筒壁的小孔飞散出去，筒壁的小孔飞

16、散出去，成为丝状，到达温度较成为丝状，到达温度较低的外筒就会迅速冷却低的外筒就会迅速冷却凝固，变得纤细雪白，凝固，变得纤细雪白，像一团团棉花。像一团团棉花。2021/3/2341 、 “离心浇铸离心浇铸”技术技术模具绕一固定轴旋转模具绕一固定轴旋转, ,当达到当达到500500转每分时转每分时, ,将融化了的液态金属倒入其中将融化了的液态金属倒入其中, ,它将以巨大它将以巨大的惯性离心力向模具壁紧压，同时夹杂在的惯性离心力向模具壁紧压，同时夹杂在液态金属里的气体和熔渣，由于其密度远液态金属里的气体和熔渣，由于其密度远小于液态的金属，因此它们将从金属里被小于液态的金属，因此它们将从金属里被分离出

17、来。按此法浇铸出的金属零件密实、分离出来。按此法浇铸出的金属零件密实、均匀、不含气泡和裂痕，大大提高了使用均匀、不含气泡和裂痕，大大提高了使用寿命。寿命。2021/3/2342 、啤酒何以清澈透亮、啤酒何以清澈透亮? ? 原来这也与离心分离密切相关。原来这也与离心分离密切相关。因为麦汁中含有一种极不稳定的冷凝因为麦汁中含有一种极不稳定的冷凝固物固物,应尽量减少其含量才能保证啤应尽量减少其含量才能保证啤酒不出现冷混浊现象。然而酒不出现冷混浊现象。然而,这种冷这种冷凝固物的粒子极为微小凝固物的粒子极为微小,直径仅有直径仅有0.10.5微米，很难除净。但若采用微米，很难除净。但若采用高速离心机进行分离处理，就比较容高速离心机进行分离处理，就比较容易实现净化。因为这种粒子虽然微小，易实现净化。因为这种粒子虽然微小，但由于存在密度差，一旦进入强大的但由于存在密度差，一旦进入强大的离心力场后，二者立即离心力场后，二者立即“分道扬镳分道扬镳”，从而可以很容易地把冷凝固粒子剔除。从而可以很容易地把冷凝固粒子剔除。从蔗糖水溶液中分离蔗糖，也需依靠从蔗糖水溶液中分离蔗糖，也需依靠离心沉降方法离心沉降方法 。