高一物理文本素材 4.4 离心运动 （鲁教版2）

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精4.4《离心运动》素材A一、常见的几种离心运动对比图示项目实物图原理图现象及结论洗衣机脱水筒当水滴跟物体附着力F不足以提供向心力时，即F＜mω2r时,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,即时,汽车做离心运动用离心机把体温计的水银甩回玻璃泡中当离心机快速旋转时,缩口处对水银柱的阻力不足以提供向心力，水银柱做离心运动进入玻璃泡内二、转动系统中的惯性力简称惯性离心力，这个惯性力的方向总是指向远离轴心的方向.它的大小等于物体的质量m与非惯性系相对于惯性系的加速度大小a的乘积.如果在以角速度ω转动的参考系中，质点到转轴的距离为r，则F惯=mω2r假若物体相对于匀速转动的参考系以一定速度运动，则物体除了受慢性离心力之外，还要受到另一种惯性力的作用，这种力叫做科里奥利力，简称科氏力，这里不作进一步的讨论。例题:一辆质量为m的汽车以速度v在半径为R的水平弯道上做匀速圆周运动.汽车左、右轮相距为d，重心离地高度为h，车轮与路面之间的静摩擦因数为μ0.求:(1)汽车内外轮各承受多少支持力？(2）汽车能安全行驶的最大速度是多少？解析：汽车左转弯行驶时受力情况如图所示，图中f1、f2分别为汽车内、外轮受到的摩擦力.如果选一个和汽车一起做圆周运动的参考系，则汽车是静止不动的，但必须在汽车的质心处加上一个惯性离心力f，其大小为，方向沿半径方向向外。以内轮着地点A为转轴，由合力矩为零可列出，将代入得由竖直方向受力平衡可得汽车安全行驶时，要求既不打滑,又不会倾倒。汽车不打滑时，应有,汽车允许的最大速度汽车不倾倒的条件是N1≥0，即汽车不倾倒的最大速度从vmax1和vmax2的结果可以看出，汽车轮胎与地面之间的静摩擦因数μ0越大，左、右轮间距离越宽，车身重心越低，汽车行驶得越稳定。三、过山车离心运动有时会造成危害，需要设法防止,汽车转弯的地方不允许超过规定的速度,以免由于离心运动造成交通事故.高速转动的砂轮、飞轮，都不得超过允许的最大转速.如果转速过高，砂轮、飞轮内部的相互作用力小于需要的向心力，离心运动会使它们破裂，甚至酿成事故。飞机俯冲拉起或者翻筋斗时，由于离心运动会造成飞行员大脑贫血，四肢沉重，这种现象叫做过荷。过荷太大时，飞行员会暂时失明，甚至晕厥，飞行员可以通过加强训练来提高自己的抗荷能力.当你在游乐场乘过山车正以时速近一百千米奔驰之际，你是否想起：为什么过山车不需要引擎来推动？乘坐过山车时，为什么我们倒转了却不会掉下来？第一个问题与能量守恒原理有关。能量可以有许多种不同的形态，例如动能、势能、声能和热能等.当你乘上过山车，借着机械和齿轮的推动，过山车会被带到很高的位置.相对于地面,过山车有很大的势能(如图).离地面越高,势能越大。在经过了最高点之后，过山车便开始下滑，速度和动能逐渐增加.基于能量守恒定律,势能会减少，并转化为动能。当过山车经过了第一个“山谷”时,它具有很大的动能,所以仍能冲上第二个“山".根据能量守恒原理,过山车可以攀上的高度,与起始滑下时的高度一样.但是,由于机件之间的摩擦，过山车的总机械能量便会减少。因此，许多过山车轨道的第一个“山”是最高的，之后的便越来越矮.如图所示。第二个问题则与向心力有关，原理较复杂.根据牛顿第一定律，在没有外力的影响下，物体会沿直线做匀速运动.如果过山车没有受外力作用,就会沿轨道切线的方向运动.但既然过山车会转弯，就必定有力的作用。假设过山车的质量是m，正以速度v前进,而过山车的轨道是个半径为r的圆形，那么所需的向心力便是。问题是，这个力从何而来？为了简单起见，让我们考虑过山车在最高点的情况(如图所示）.如果过山车在最高点仍有很高的速度v，转弯所需要的向心力便会比较大。过山车本身的重力mg固然可提供部分的向心力，但假如所需的向心力比车的重力大（），部分所需的向心力便要由路轨给予过山车的作用力R提供，两部分加起来有。此时如果速度v越大,过山车与路轨之间的相互作用力也越大，它便越紧贴着路轨，不会掉下来.相反，如果过山车的速度v较低,作用力就会较小甚至接近零，过山车便很容易掉下来了。换句话说，过山车不会掉下来，是因为它有很高的速度.请试试以下的简单实验：准备一