高中物理粤教版第二章圆周运动 第2章第3节离心现象及其应用

第三节离心现象及其应用学习目标知识脉络1.知道什么是离心现象.2.理解物体做离心运动的条件．(重点)3.会用所学知识解决生产、生活中的离心运动问题．(重点、难点)4.知道离心运动在实际中的应用、危害与防止.离心现象及应用eq\o([先填空])1．离心现象的概念做圆周运动的物体，在所受合力突然消失或不足以提供圆周运动所需要的向心力的情况下，就会做逐渐远离圆心的运动，这种现象称为离心现象．2．离心现象的条件做圆周运动的物体所受外力提供的向心力小于它做圆周运动所需要的向心力或向心力突然消失，物体做离心运动．3．离心现象的应用利用离心现象工作的机械叫做离心机械．离心干燥器、洗衣机脱水筒都是这样的机械．4．离心干燥器的原理将湿物体放在离心干燥器的金属网笼里，当网笼转得较快时，水滴的附着力不足以提供所需的向心力，水滴就做离心运动，穿过网孔，飞离物体，因而使物体甩去多余的水分．5．离心分离器使试管内的浑浊液体随试管快速转动，其内所含的不溶于液体的固体微粒快速沉淀下来，如图2­3­1所示．图2­3­1eq\o([再判断])1．做离心运动的物体一定受到离心力的作用．(×)2．离心运动的轨迹可能是直线也可能是曲线．(√)3．离心运动是物体惯性的体现．(√)eq\o([后思考])图2­3­2有一种叫做“魔盘”的娱乐设施，如图2­3­2所示．“魔盘”转动很慢时，盘上的人都可以随盘一起转动而不至于被甩开，当盘的转速逐渐增大时，盘上的人便逐渐向边缘滑去，离转动中心越远的人，这种滑动的趋势越明显，试分析发生这种现象的原因．【提示】人随盘一起转动，人所受的静摩擦力提供其向心力即f＝mrω2，半径越大，所需的向心力越大，人所受的静摩擦力亦越大，当所需的向心力超过人受的最大静摩擦力时，人会做离心运动，距离转动中心越远的人，越易滑动．eq\o([合作探讨])如图2­3­3所示，链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出．汽车高速转弯时，若摩擦力不足，汽车会滑出路面．请思考：图2­3­3探讨1：链球飞出、汽车滑出是因为受到了离心力吗？【提示】不是．是因为向心力不足或消失．探讨2：物体做离心运动的条件是什么？【提示】物体受的合外力消失或小于圆周运动需要的向心力．eq\o([核心点击])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飞出去的趋向，之所以没有飞出去，是因为受到指向圆心的力．2．离心运动的受力特点物体做离心运动并非受到“离心力”的作用，而是外力不足以提供向心力的结果，“离心力”不存在．3．合外力与向心力的关系(如图2­3­4)图2­3­4(1)若F合＝mrω2或F合＝eq\f(mv2,r)，物体做匀速圆周运动，即“提供”满足“需要”．(2)若F合>mrω2或F合>eq\f(mv2,r)，物体做半径变小的近心运动，即“提供过度”，也就是“提供”大于“需要”．(3)若F合<mrω2或F合<eq\f(mv2,r)，则外力不足以将物体拉回到原轨道上，而做离心运动，即“需要”大于“提供”或“提供不足”．(4)若F合＝0，则物体沿切线方向做直线运动．1．如图2­3­5所示，光滑的水平面上，小球在拉力F作用下做匀速圆周运动，若小球到达P点时F突然发生变化，下列关于小球运动的说法正确的是()图2­3­5A．F突然消失，小球将沿轨迹Pa做离心运动B．F突然变小，小球将沿轨迹Pa做离心运动C．F突然变大，小球将沿轨迹Pb做离心运动D．F突然变小，小球将沿轨迹Pc逐渐靠近圆心【解析】F突然消失时，小球将沿该时刻线速度方向，即沿轨迹Pa做离心运动，选项A正确；F突然变小时，小球将会沿轨迹Pb做离心运动，选项B、D均错误；F突然变大时，小球将沿轨迹Pc做近心运动，选项C错误．【答案】A2．如图2­3­6，置于圆形水平转台边缘的小物块随转台加速转动，当转速达到某一数值时，物块恰好滑离转台开始做平抛运动．现测得转台半径R＝m，离水平地面的高度H＝m，物块平抛落地过程水平位移的大小s＝m．设物块所受的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度g取10m/s2.求：图2­3­6(1)物块做平抛运动的初速度大小v0.(2)物块与转台间的动摩擦因数μ.【解析】(1)物块做平抛运动，竖直方向有H＝eq\f(1,2)gt2 ①水平方向有s＝v0t ②联立①②两式得v0＝seq\r(\f(g,2H))＝1m/s. ③(2)物块离开转台时，最大静摩擦力提供向心力，有μmg＝meq\f(v\o\al(2,0),R) ④联立③④得μ＝eq\f(v\o\al(2,0),gR)＝.【答案】(1)1m/s(2)离心运动的分析技巧1．物体所受的合外力是否满足物体做圆周运动所需要的向心力，即“提供”是否满足“需求”．物体做圆周运动所需要的向心力越大，物体就越容易发生离心现象．2．离心现象是做圆周运动的物体所受合力减小．或合力突然消失所致的现象，而不是离心力大于向心力的缘故．3．当提供向心力的合力大于需要的向心力(F合>mω2r)时，物体将做“向心运动”．离心运动的危害及防止eq\o([先填空])1．离心运动的危害(1)由于离心现象，车辆转弯时易出现交通事故，因此在弯道处，都要对车辆进行限速．(2)高速旋转的砂轮或飞轮破裂，会因碎片飞出造成事故，所以对转动的物体要限定转速．(3)飞机攀高或翻飞旋转时，离心运动造成飞行员过荷．(4)汽车在转弯(尤其在下雨天)时冲出车道而发生事故．2．离心运动的防止(1)减小物体运动的速度，使物体做圆周运动时所需的向心力减少．(2)增大合外力，使其达到物体做圆周运动时所需的向心力．eq\o([再判断])1．物体突然受到离心力的作用，将做离心运动．(×)2．做匀速圆周运动的物体，当提供向心力的合外力突然变大时将做离心运动．(×)3．做匀速圆周运动的物体，当提供向心力的合力突然消失或变小时将做离心运动．(√)eq\o([后思考])我们小时候大都喜欢吃棉花糖，而且当时一定非常奇怪：为什么一颗一颗的白砂糖，经过机器一转，就变成又松又软的“棉花”不断向外“飞出”呢？(如图2­3­7所示)图2­3­7【提示】棉花糖机器应用了离心运动的原理．eq\o([合作探讨])如图2­3­8所示，一群小朋友正在旋转盘上玩耍．探讨1：在旋转盘上，开始时有的人离转轴近一些，有的人离转轴远一些．当旋转盘加速时，哪些人更容易滑出去，为什么？图2­3­8【提示】在旋转盘上，人与旋转盘一起转动，人与转盘间的静摩擦力提供向心力，当最大静摩擦力不足以提供向心力时，人便开始滑动(近似认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力)．当人开始滑动时，有μmg＜mrω2，即μg＜rω2，故可知r越大越容易滑动，所以离转轴越远的人越容易滑动．探讨2：要防止离心现象发生，该采取哪些措施呢？【提示】(1)减小物体运动的速度，增加圆周运动的半径，使物体做圆周运动时所需的向心力减小．(2)增大合外力，使其达到物体做圆周运动时所需的向心力．eq\o([核心点击])1．离心现象的防止(1)防止方法：①减小物体运动的速度，使物体做圆周运动时所需的向心力减小．②增大合外力，使其达到物体做圆周运动时所需的向心力．(2)常见实例：汽车、火车在弯道要限速，转动砂轮、飞轮要限速．2．常见的两种离心运动项目实物图原理图现象及结论洗衣机脱水筒当水滴受到物体的附着力F不足以提供向心力时，即F<mω2r，水滴做离心运动汽车在水平路面上转弯当最大静摩擦力不足以提供向心力时，即fmax<meq\f(v2,r)，汽车做离心运动3．(2023·温州高一检测)下列哪个现象利用了物体的离心运动()A．车转弯时要限制速度B．转速很高的砂轮半径不能做得太大C．在修筑铁路时，转弯处轨道的内轨要低于外轨D．离心水泵工作时【解析】车辆转弯时限速、修筑铁路时弯道处内轨低于外轨都是为了防止因为离心运动而发生侧翻事故，转速很高的砂轮半径不能做得太大也是为了防止因离心运动而将砂轮转坏．离心水泵工作是运用了水的离心运动规律，选项D正确．【答案】D4．(2023·石家庄高一检测)汽车在水平地面上转弯，地面对车的摩擦力已达到最大值．当汽车的速率增大到原来的二倍时，若使车在地面转弯时仍不打滑，汽车的转弯半径应()【导学号：35390030】A．增大到原来的二倍B．减小到原来的一半C．增大到原来的四倍D．减小到原来的四分之一【解析】汽车在水平路面上转弯，向心力由静摩擦力提供．设汽车质量为m，汽车与路面的动摩擦因数为μ，汽车的转弯半径为r，则μmg＝meq\f(v2,r)，由此得r∝v2，速率增大到原来的二倍，故转弯半径应增大到原来的四倍，C项正确．【答案】C5．洗衣机的脱水筒在工作时，有一衣物附着在竖直的筒壁上，则此时()A．衣物受重力和摩擦力作用B．衣物随筒壁做圆周运动的向心力由摩擦力提供C．筒壁的弹力随筒的转速的增大而增大D．筒壁对衣物的摩擦力随筒的转速的增大而增大【解析】对衣物研究：竖直方向受重力和摩擦力的作用且f＝mg，摩擦力f不变，水平方向受弹力的作用，A、D