2024年高中物理新教材同步 必修第二册学习笔记第6章 4　生活中的圆周运动

4生活中的圆周运动[学习目标]1.会分析火车转弯、汽车过拱形桥等实际运动问题中向心力的来源(重点)。2.能解决生活中的圆周运动问题(重难点)。3.了解航天器中的失重现象及其原因。4.了解离心运动及物体做离心运动的条件，知道离心运动的应用及危害。一、火车转弯图甲为摩托车在水平道路上转弯，图乙为火车转弯，图丙为火车轮缘与铁轨，摩托车和火车转弯向心力来源相同吗？铁路弯道处铁轨内外高度相同吗？为什么要这样设计？________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．铁路弯道的特点铁路弯道处，外轨高于内轨，若火车按规定的速度v0行驶，转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，即mgtanθ＝meq\f(v02,R)，如图所示，则v0＝______，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面间的夹角(θ很小的情况下，tanθ≈sinθ)。2．汽车转弯特点(1)水平弯道：由______提供向心力，汽车速度最大时，μmg＝eq\f(mvm2,R)，可得vm＝_______。(2)增大汽车安全转弯速度的有效方法①________转弯半径。②把转弯处设计成________(填“外高内低”或“外低内高”)路面(类似火车转弯)。若v0为火车不受轨道侧压力的临界速度，当火车不按规定速度行驶时，对铁轨有什么影响？________________________________________________________________________________________________________________________________________________例1(2022·黄山市高一期末)如图所示，在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨。当火车以规定的行驶速度转弯时，内、外轨均不会受到轮缘的挤压，设此时火车的速度大小为v，重力加速度为g，两轨所在平面的倾角为θ，则下列说法不正确的是()A．该弯道的半径r＝eq\f(v2,gtanθ)B．当火车质量改变时，规定的行驶速度大小不变C．当火车速率大于v时，内轨将受到轮缘的挤压D．当火车以规定的行驶速度转弯时，向心加速度大小为an＝gtanθ例2(2022·淄博市高一期中)经验丰富的司机一般不会在弯道上超车，因为汽车转弯时如果速度过大，容易发生侧滑。图中后方车辆质量m＝2.0×103kg，行驶速度为v0＝15m/s，水平弯道所在圆弧的半径是R＝60m，汽车和地面的动摩擦因数μ＝0.54，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度g取10m/s2。(1)求这辆汽车转弯时需要的向心力大小F；(2)若司机想提速到v1＝20m/s的速度超越前车，计算并判断是否会发生侧滑。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________二、汽车过拱形桥航天器中的失重现象1．汽车过拱形桥和凹形路面项目汽车过拱形桥汽车过凹形路面受力分析桥或路面对汽车的支持力________＝meq\f(v2,R)，FN＝G－meq\f(v2,R)__________＝meq\f(v2,R)，FN＝G＋meq\f(v2,R)汽车对桥或路面的压力FN′＝FN＝G－meq\f(v2,R)<GFN′＝FN＝G＋meq\f(v2,R)>G处于超重还是失重状态讨论v增大，FN′____；当v增大到eq\r(gR)时，FN′＝0v增大，FN′________2.航天器中的失重现象(1)在近地圆形轨道上，航天器(包括卫星、飞船、空间站)的重力提供向心力，满足关系：mg＝meq\f(v2,R)，则v＝eq\r(gR)。(2)质量为m′的航天员，受到的座舱的支持力为FN，则m′g－FN＝eq\f(m′v2,R)。当v＝eq\r(gR)时，FN＝________，即航天员处于完全失重状态。航天器内的任何物体都处于完全失重状态。汽车在桥面最高点即将飞离桥面时所受支持力恰好为0，此时只有重力提供向心力，即mg＝eq\f(mv2,R)，得v＝eq\r(gR)，若超过这个速度，汽车做什么运动？________________________________________________________________________________________________________________________________________________例3(2023·安庆市高一期中)在“天宫二号”中工作的航天员可以自由悬浮在空中，处于失重状态，下列分析正确的是()A．失重就是航天员不受力的作用B．失重的原因是航天器离地球太近，从而摆脱了地球引力的束缚C．失重是航天器独有的现象，在地球上不可能存在失重现象D．正是由于引力的存在，才使航天员有可能做环绕地球的圆周运动例4(2023·常德市高一期中)质量为3×103kg的汽车，以36km/h的速度通过圆弧半径为50m的凸形桥，则：(1)汽车到达桥最高点时，求桥所受的压力大小，此时汽车处于超重还是失重？(2)如果设计为凹桥，半径仍为50m，汽车仍以36km/h的速度通过，求在最低点时汽车对桥的压力大小，此时汽车处于超重还是失重？(g＝10m/s2)________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________三、离心运动1．定义：做圆周运动的物体沿________方向飞出或做________圆心的运动。2．物体做离心运动的原因提供向心力的合力突然________，或者合力________提供所需的向心力。3．离心运动、近心运动的判断物体做圆周运动时出现离心运动还是近心运动，由实际提供的合力F合和所需向心力(meq\f(v2,r)或mω2r)的大小关系决定。(如图所示)(1)当F合＝0时，物体沿__________方向做____________；(2)当0<F合<mω2r时，“提供”不足，物体做________。(3)当F合＝mω2r时，“提供”等于“需要”，物体做________________；(4)当F合>mω2r时，“提供”超过“需要”，物体做________。4．离心运动的应用和防止(1)应用：离心干燥器；洗衣机的______；离心制管技术；分离血浆和红细胞的离心机。(2