新教材2023高中物理第六章圆周运动6.4生活中的圆周运动课件新人教版必修第二册

第六章圆周运动学习目标1.通过分析铁路在弯道处的特点和汽车过拱形桥现象,能根据所学知识分析生活中水平方向和竖直方向上的圆周运动问题,在此过程中体会模型建构的方法.2.通过分析航天员在航天器中的受力情况,知道航天器中的失重现象及原因;通过洗衣机脱水等生活现象,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.4

生活中的圆周运动知识点一火车转弯1.下图是一列火车过弯道时的图片.根据图片,你能说出弯道内、外两侧的轨道高度有什么特点吗?你知道为什么需要这样设计吗?答案:铁路弯道的内、外轨道的高度略有不同,外侧轨道稍高一些.这样设计能提供火车转弯需要的向心力,减轻火车对轨道的挤压.2.运动特点:火车在弯道时做

运动,其半径是沿着

方向的.由于其质量巨大,所以需要很大的

力.3.向心力来源.(1)如果弯道处内外轨一样高,则由外轨对轮缘的

提供向心力,这样铁轨和车轮极易受损,还可能使火车侧翻.

(2)实际轨道设计:转弯处外轨略

(选填“高”或“低”)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

,为火车转弯提供了一部分向心力.若火车以规定的速度行驶,转弯时所需的向心力几乎完全由支持力和重力的合力来提供.圆周水平弹力高圆心向心1.汽车过拱形桥时的运动可以看作

运动.质量为m的汽车在拱形桥上以速度v前进,设桥面的圆弧半径为r,则汽车过拱形桥时,汽车对桥面的压力FN'=

.圆周

知识点二汽车过拱形桥对比项汽车过拱形桥汽车过凹形路面受力分析向心力对桥的压力FN'=

.FN'=

.结论汽车对桥的压力小于汽车的重力,而且汽车速度越大,对桥的压力

.汽车对路面的压力大于汽车的重力,而且汽车速度越大,对路面的压力

.2.汽车过拱形桥和凹形路面.mg-FNFN-mg

越小越大知识点三

航天器中的失重现象

mg-FN失重完全失重

知识点四离心运动1.如图所示,雨过天晴时,当你旋转自己的湿雨伞时,会发现什么现象?你能说出其中的原因吗?答案:水滴会沿着伞的边缘某点的切线飞出,这是因为当旋转雨伞时,雨滴也随着运动起来,但伞面上的雨滴受到的合力不足以提供其做圆周运动所需的向心力,雨滴由于惯性要保持其原来的速度方向而沿切线方向飞出.2.做圆周运动的物体,在受到的合力突然消失或者合力

.提供做圆周运动所需要的向心力的情况下,将做

运动.3.离心运动的应用:洗衣机脱水、生产无缝钢管、制造水泥管道和电线杆、借助

分离血浆和红细胞.4.离心运动的防止.

(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

.

(2)高速旋转的砂轮或飞轮转速过高时会发生破裂,会因碎片飞出而造成事故,所以对高速转动的物体要

.不足以离心离心机限速限定转速√×小试身手判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).1.铁路弯道处内、外轨道一样高.(

)2.汽车在拱形桥上行驶时,速度较小时,对桥面的压力大于汽车重力;速度较大时,对桥面的压力小于汽车重力.(

)3.汽车在水平路面上匀速行驶时,对地面的压力等于车的重力,加速行驶时大于车的重力.(

)4.太空中运行的航天器中的航天员及所有物体均处于完全失重状态.(

)5.做离心运动的物体沿半径方向远离圆心.(

)6.物体做离心运动时,运动轨迹的形状一定是曲线.(

)××××探究一火车转弯问题问题情境如图所示,火车的车轮有突出的轮缘,且火车在轨道上运行时,有突出轮缘的一边在两轨道内侧,这种结构特点有助于固定火车运动的轨迹.1.如果铁路弯道处的内外轨一样高,火车转弯时,其向心力是如何产生的?会带来什么样的后果?答案:如果铁路弯道处的内外轨一样高,火车转弯时,受到重力G、支持力FN和外轨对轮缘的弹力F,如图所示.其中重力、支持力是一对平衡力,外轨对轮缘的弹力提供火车转弯需要的向心力.由于火车的质量很大,火车转弯需要的向心力很大,靠这种办法得到向心力,将会使轮缘与外轨间的相互作用力过大,不仅铁轨和车轮极易受损,还可能使火车侧翻.2.实际上,铁路弯道处被设计成外轨略高于内轨,试从向心力的来源分析这样设计有什么好处?答案:如果弯道处外轨略高于内轨,火车在转弯时铁轨对火车的支持力FN的方向不再是竖直的,而是斜向弯道的内侧,它与重力G的合力指向圆心,为火车转弯提供一部分向心力,从而减轻轮缘与外轨的挤压,如图所示.在修筑铁路时,要根据弯道的半径和规定的行驶速度,适当选择内外轨的高度差,使火车转弯时所需的向心力几乎完全由支持力FN与重力G的合力来提供.3.设内外轨间的距离为l,内外轨的高度差为h,火车转弯的半径为R,转弯时,火车的速度v0等于多少时外轨对火车的侧向压力恰好为0?

答案:火车转弯时所需向心力完全由重力和支持力的合力提供时,轨道与火车间无挤压.如图所示,α为轨道所在平面与水平面的夹角.过程建构

【典例1】高速列车转弯时可认为是在水平面内做圆周运动.为了让列车顺利转弯,同时避免车轮和铁轨受损,在修建铁路时会让外轨高于内轨,选择合适的内外轨高度差,以使列车以规定速度转弯时所需要的向心力完全由重力和支持力的合力来提供.如图所示,已知某段弯道内外轨道的倾角为θ,弯道的半径为R,重力加速度为g.(1)质量为m的一高速列车以规定速度通过上述弯道时,求该列车对轨道的压力大小.

(2)求上述弯道的规定速度v0的大小.

【变式】火车轨道在转弯处外轨高于内轨,其高度差由转弯半径与规定的行驶速度确定.若在某转弯处规定行驶速度为v,则下列说法正确的是(

)A.当以速度v通过此弯路时,轨道支持力提供向心力B.当速度大于v时,轮缘挤压内轨C.当速度大于v时,轮缘挤压外轨D.当速度小于v时,轮缘挤压外轨解析:当火车的行驶速度等于规定速度时,火车重力与轨道支持力的合力提供向心力,火车对轨道没有侧向挤压,选项A错误;当火车的行驶速度大于规定速度时,火车重力与轨道支持力的合力不足以提供火车转弯所需向心力,火车挤压外轨,外轨给火车一个向里的力提供一部分向心力,选项C正确,选项B错误;同理,当火车的行驶速度小于规定速度时,火车挤压内轨,选项D错误.答案:C探究二汽车过拱形桥问题情境如图所示,质量为m的汽车分别在拱形桥和凹形路面上以速度v行驶,圆弧半径均为R.甲乙1.在图甲所示位置,汽车的向心力是如何产生的?汽车的重力与汽车对桥的压力哪个大?答案:在图甲所示位置,汽车在竖直方向上受重力和支持力,它们的合力提供向心力.由于G-FN=Fn,所以FN<G;根据牛顿第三定律,汽车对桥的压力大小FN'<G,即汽车处于失重状态.甲2.图甲中,汽车的速度增大,汽车对桥的压力如何变化?如果汽车的速度过大会发生什么现象?

3.在图乙所示位置,汽车的向心力是如何产生的?汽车的重力与汽车对路面的压力哪个大?答案:在图乙所示位置,汽车在竖直方向上受重力和支持力,它们的合力提供向心力.由于FN-G=Fn,所以FN>G,根据牛顿第三定律,汽车对路面的压力大小FN'>G,即汽车处于超重状态.4.图乙中,汽车的速度增大,汽车对路面的压力如何变化?如果汽车的速度过大会发生什么现象?

过程建构

甲

由此可知,汽车对桥面的压力大于其自身重力,压力过大时,桥面对汽车的支持力也过大,汽车可能爆胎.【典例2】一辆载重汽车的质量为4m,通过半径为R的拱形桥.若桥顶能承受的最大压力Fmax=3mg,求汽车安全行驶的速度范围.

【变式】如图所示,汽车在炎热的夏天沿凹凸不平的路面行驶,其中最容易发生爆胎的位置是(假定汽车运动速率vA=vC,vB=vD)(

)A.A点

B.B点

C.C点

D.D点答案:

D

探究三航天器中的失重现象问题情境1.如图所示,几名航天员在绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船里.如果航天员静止在座椅上,那么航天员受到什么力的作用?他们是否处于平衡状态?答案:航天员受到地球引力,因为航天员随宇宙飞船一起做匀速圆周运动,所以一定有向心加速度,虽然相对座椅静止,但不是平衡状态.2.有人认为宇宙飞船等航天器失重的原因是它离地球太远,从而摆脱了地球引力,这种说法对不对,为什么?答案:这种说法不对.正是由于地球引力的存在,所以航天器连同其中的航天员才能做环绕地球的圆周运动.过程建构对航天器中失重现象的理解.

(1)绕地球做匀速圆周运动的航天器,其中的物体做圆周运动所需的向心力由物体受到的地球引力提供,因此航天器中的物体处于完全失重状态,即航天器对航天员及舱内物体的支持力为0.(2)在绕地球做匀速圆周运动的航天器中,涉及重力的一切现象不再发生.【典例3】“龙舟神舟竞渡,艾香粽香传情.”在中华民族传统节日端午节,正驾乘“神舟十号”飞船遨游太空的3名航天员,举起写着“端午节快乐”的字板给全国人民带来了特殊的太空祝福.下列说法不正确的是 (

)A.航天员仍受重力作用B.航天员受的重力提供其做匀速

圆周运动的向心力C.航天员对座椅的压力不为0D.航天器内所有物体都处于完全

失重状态

答案:C探究四离心运动问题情境1.如图所示,在水平公路上行驶的汽车,如果转弯速度过大,容易酿成事故.因此,在公路弯道,车辆不允许超过规定的速度.请从圆周运动的角度分析为什么会这样.

2.生活中还有哪些地方利用了离心现象?尝试总结出物体做离心运动的条件.答案:例如洗衣机的甩干桶、分离血液的离心机等.做圆周运动的物体,提供向心力的力突然消失或者合力不足以提供物体做圆周运动所需的向心力时,物体就会做离心运动.过程建构

【典例4】下列汽车行驶中的各情形与离心运动有关的是(

)A.雪地里汽车轮胎打滑B.汽车通过拱形桥C.汽车在平直公

路上加速前进D.汽车在转弯时由于

速度太大导致翻车

答案:D课堂评价答案:D1.火车转弯可近似看成做匀速圆周运动,当火车速度过大时会使轨道的外轨受损.为解决火车高速转弯时外轨受损这一难题,你认为下列措施可行的是 (

)A.适当增高内轨

B.适当降低外轨C.减小弯道半径

D.增大弯道半径答案:D

3.如图所示,光滑水平面上,小球在拉力F作用下以O为圆心做匀速圆周运动.若小球运动到P点时,拉力F发生变化,关于小球运动情况的说法正确的是(

)答案:DA.只要拉力不消失,小球仍沿原来轨迹运动B.若拉力突然变小,小球将沿轨迹PC运动C.若拉力突然变大,小球将沿轨迹PB做离心运动D.若拉力突然消失,小球将沿轨迹PA运动4.(2022·广东茂名)下列现象中,与离心运动无关的是()A.将温度计中的水银甩回到顶部水银泡中B.拔掉风扇电源,扇叶仍继续转C.洗衣机脱水桶旋