第4节　生活中的圆周运动 教学课件

物理第六章圆周运动第4节生活中的圆周运动01必备知识素养奠基02关键能力素养形成03分层演练素养达标[学习目标]1．会分析具体圆周运动问题中向心力的来源，能解决生活中的圆周运动问题．2．了解航天器中的失重现象及原因．3．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．知识点1火车转弯1．火车在弯道上的运动特点火车在弯道上运动时做圆周运动，具有_______加速度，由于其质量巨大，因此需要很_______的向心力．2．转弯处内外轨一样高的缺点如果转弯处内外轨一样高，则由_______对轮缘的弹力提供向心力，这样铁轨和车轮极易受损．向心大外轨3．铁路弯道的特点(1)转弯处_______略高于_______．(2)铁轨对火车的支持力不是竖直向上的，而是斜向弯道的_______．(3)铁轨对火车的支持力与火车所受重力的合力指向轨道的_______，它提供了火车以规定速度行驶时的__________．外轨内轨内侧圆心向心力mg－FN小于大于[判一判](1)车辆在水平路面上转弯时，所受重力与支持力的合力提供向心力．(

)(2)车辆在水平路面上转弯时，所受摩擦力提供向心力．(

)(3)车辆在“内低外高”的路面上转弯时，受到的合力可能为零．(

)√××(4)车辆按规定车速通过“内低外高”的弯道时，向心力是由重力和支持力的合力提供的．(

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

)(6)汽车在拱形桥上行驶，速度小时对桥面的压力大于车重，速度大时压力小于车重．(

)√××[想一想]1．(1)生活中我们经常会看到美丽的拱形桥，而很少见到凹形桥，拱形桥有哪些优点呢？汽车以恒定速率在一段凹凸不平的路面上行驶，最容易发生爆胎事故的是凹处还是凸处？

(2)高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的倾斜度．说说这样设计的原因．提示：(1)拱形桥可以让更大的船只通过，利于通航；汽车在拱形桥上行驶时重力与支持力的合力提供向心力，故车对桥面压力比车重小．车在凹凸不平的路面行驶，在凹处支持力大于重力，容易爆胎．(2)高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面有一定的倾斜度，使汽车或自行车重力的分力提供一部分向心力，这样就减小了汽车或自行车所受地面的摩擦力．mg－FN完全失重知识点4离心运动1．定义：做圆周运动的物体沿切线飞出或______________圆心的运动．2．原因：向心力突然_______或合力不足以提供______________．3．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．(2)防止：汽车在公路转弯处必须______________；转动的砂轮、飞轮的转速不能太高．逐渐远离消失所需的向心力脱水桶限速行驶[想一想]2．可以把地球看作一个巨大的拱形桥(如图)，桥面的半径就是地球的半径R.地面上有一辆汽车在行驶，所受重力G＝mg，地面对它的支持力是FN.

根据上面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小．会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是0？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？驾驶员躯体各部分之间的压力是多少？他这时可能有什么感觉？1．(生活中的圆周运动)(多选)下列有关生活中的圆周运动实例分析，其中说法正确的是(

)A．汽车通过凹形桥的最低点时，车对桥的压力大于汽车的重力B．在铁路的转弯处，通常要求外轨比内轨高，目的是减轻轮缘与外轨的挤压C．杂技演员表演“水流星”，当“水流星”通过最高点时处于完全失重状态，不受重力作用D．洗衣机脱水桶的脱水原理是水滴受到的离心力大于它受到的向心力，从而沿切线方向甩出√√2．(汽车转弯问题)某段水平公路转弯处弯道所在圆半径为40m，汽车轮胎与路面间的动摩擦因数为0.25，假设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等，重力加速度g＝10m/s2，汽车转弯时不发生侧滑的最大速率为(

)A．5m/s B．10m/sC．15m/s D．20m/s√3．(火车转弯问题)如图所示的是火车车轮在转弯处的截面示意图，轨道的外轨高于内轨，在此转弯处规定火车的行驶速度为v，则(

)

A．若火车通过此弯道时速度大于v，则火车的轮缘会挤压外轨B．若火车通过此弯道时速度小于v，则火车的轮缘会挤压外轨C．若火车通过此弯道时行驶速度等于v，则火车的轮缘会挤压外轨D．若火车通过此弯道时行驶速度等于v，则火车对轨道的压力小于火车的重力√解析：如图所示为火车车轮在转弯处的截面示意图，轨道的外轨高于内轨，在此转弯处规定火车的行驶速度为v，则当转弯的实际速度大于规定速度时，火车所受的重力和支持力的合力不足以提供所需的向心力，火车有离心趋势，故其外侧车轮轮缘会与铁轨相互挤压，故A正确；当转弯的实际速度小于规定速度时，火车所受的重力和支持力的合力大于所需的向心力，火车有向心趋势，故其内侧车轮轮缘会与铁轨相互挤压，故B错误；4．(小车过桥问题)一辆卡车在丘陵地带匀速率行驶，由于轮胎太旧，在驶过如图所示的一段地形时爆胎了，你认为爆胎的地点最有可能是在(

)

A．a处 B．b处C．c处 D．d处√探究一车辆的转弯问题分析【情景导入】1．火车转弯时的运动是圆周运动，分析火车的运动回答下列问题：(1)如果轨道是水平的，火车转弯时受到哪些力的作用？需要的向心力由谁来提供？(2)靠这种方式使火车转弯有哪些危害？如何改进？2．摩托车在平直公路转弯和火车转弯，它们的共同点是什么？提供向心力的方式一样吗？提示：1.(1)火车受重力、支持力、牵引力、摩擦力和外轨对火车的弹力作用，弹力提供火车转弯所需的向心力．(2)对确定的弯道，火车转弯时速度越大，需要的向心力越大，容易造成对外轨的损坏，甚至造成火车脱轨．可以把弯道处建成外高内低的斜面，由重力和支持力的合力提供向心力．2．摩托车在平直公路转弯和火车转弯都需要向心力，摩托车转弯时摩擦力可以提供向心力，火车质量太大，轮缘与外轨间的相互作用力太大，铁轨和车轮极易受损，需要设置特别的轨道，由重力和支持力的合力提供向心力．1．火车转弯问题(1)火车在弯道上的运动特点火车在弯道上运动时实际上是在水平面内做圆周运动，由于其质量巨大，需要很大的向心力．【例1】有一列重为100t的火车，以72km/h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道，轨道半径为400m．(g取10m/s2)(1)试计算铁轨受到的侧压力大小；(2)若要使火车以此速率通过弯道，且使铁轨受到的侧压力为零，我们可以适当倾斜路基，试计算路基倾斜角度θ的正切值．[答案]

(1)1×105N

(2)0.1【例2】(多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带．如图，某公路急转弯处是一圆弧，当汽车行驶的速率为vc时，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势．则在该弯道处(

)

A．路面外侧高内侧低

B．车速只要低于vc，车辆便会向内侧滑动

C．车速高于vc，只要不超出某一最高限度，车辆便不会向外侧滑动D．当路面结冰时，与未结冰时相比，vc的值变小

√√[解析]

汽车以速率vc转弯，需要指向内侧的向心力，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势，说明此处公路内侧较低外侧较高，A正确．车速只要低于vc，车辆便有向内侧滑动的趋势，但不一定向内侧滑动，B错误．车速高于vc，由于车轮与地面间有摩擦力，只要不超出某一最高限度，车辆便不会向外侧滑动，C正确．根据题述，汽车以速率vc转弯，需要指向内侧的向心力，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势，没有受到摩擦力，所以当路面结冰时，与未结冰时相比，转弯时vc的值不变，D错误．[针对训练1]有一辆汽车在水平公路上做匀速圆周运动．已知双向四车道的总宽度为15m，内车道内边缘间最远的距离为150m．假设汽车受到的最大静摩擦力等于车重的0.64.g取10m/s2，则汽车(

)A．所受的合力可能为零B．只受重力和地面支持力的作用C．所需的向心力可能由重力和支持力的合力提供D．最大速度不能超过24m/s√探究二汽车过桥问题与航天器中的失重现象【情景导入】(1)用两根铁丝弯成如图所示的凹凸桥．把一个小球放在凹桥底部A，调节两轨间的距离，使小球刚好不掉下去，但稍加一点压力，小球就会撑开两轨下落．让小球从斜轨滚下，当小球经过凹桥底部时，你看到了什么？(2)把凹桥下的搭钩扣上，并让小球在凸桥顶端B静止放置时，刚好能撑开两轨下落．然后，让小球再从斜轨滚下，当小球经过凸桥顶端时，你又看到了什么？提示：现象：(1)小球经过凹桥底部时，从两轨间掉了下来，对轨道的压力大于小球的重力．(2)经过凸桥顶端时，没有从B点掉下而是飞出，对轨道的压力小于小球的重力．1．汽车过桥问题(1)向心力来源汽车过凹凸桥的最高点或最低点时，在竖直方向受重力和支持力，其合力提供向心力．(2)汽车过凹凸桥压力的分析与讨论若汽车质量为m，桥面圆弧半径为R，汽车在最高点或最低点速率为v，则汽车对桥面的压力大小情况讨论如下：【例3】一辆质量为800kg的汽车在圆弧半径为50m的拱形桥上行驶(g取10m/s2)．(1)若汽车到达桥顶时速度为v1＝5m/s，求汽车对桥面的压力大小；(2)求汽车以多大速度经过桥顶时恰好对桥面没有压力；(3)汽车对桥面的压力过小是不安全的，因此汽车过桥时的速度不能过大，对于同样的车速，拱形桥圆弧的半径大些比较安全，还是小些比较安全？(4)如果拱形桥的半径增大到与地球半径一样大，汽车要在桥面上腾空，速度至少为多大？(已知地球半径为6400km)

[答案]

(1)7600N

(2)22.4m/s

(3)同样的车速，拱形桥圆弧半径大些比较安全(4)8000m/s【例4】“神舟十三号”飞船绕地球的运动可视为匀速圆周运动，“神舟十三号”航天员在中国空间站中展示了微重力环境下的物理实验或现象，下列行为可以在中国空间站舱内完成的是(

)A．用台秤称量重物的质量B．用水杯喝水C．用沉淀法将水与沙子分离D．给小球一个很小的初速度，小球就能在竖直面内做圆周运动√[解析]

重物处于完全失重状态，对台秤的压力为零，无法通过台秤称量重物的质量，故A错误；水杯中的水处于完全失重状态，不会因重力而流入嘴中，故B错误；沙子处于完全失重状态，不能通过沉淀法与水分离，故C错误；小球处于完全失重状态，给小球一个很小的初速度，小球能在拉力作用下在竖直面内做圆周运动，故D正确．[针对训练3]随着航天员在轨道舱内停留时间的增加，体育锻炼成了一个必不可少的环节，下列器材适宜航天员在轨道舱中进行锻炼的是(

)A．哑铃 B．跑步机C．单杠 D．弹簧拉力器√解析：在太空中物体处于完全失重状态，所以与重力有关的现象将消失，哑铃靠重力进行锻炼；跑步机靠摩擦力进行运动，摩擦力必须有压力，需要重力，单杠靠自身重力进行锻炼，弹簧拉力器不需要重力，A、B、C错误，D正确．[针对训练4]公路在通过小型水库的泄洪闸的下游时，常常要修建凹形桥，也叫“过水路面”．如图所示，汽车通过凹形桥的最低点时(

)A．车对桥的压力等于汽车的重力B．车对桥的压力小于桥对汽车的支持力C．汽车所需的向心力就是桥面对车的支持力D．为了防止爆胎，车应低速驶过√探究三离心运动【情景导入】链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出(如图甲所示)；雨天，当你旋转自己的雨伞时，会发现水滴沿着伞的边缘切线飞出(如图乙所示)．(1)链球飞出后受什么力？(2)你能说出水滴沿着伞的边缘切线飞出的原因吗？(3)物体做离心运动的条件是什么？提示：(1)重力和空气阻力．(2)旋转雨伞时，雨滴也随着运动起来，但伞面上的雨滴受到的力不足以提供其做圆周运动的向心力，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．(3)物体受到的合力不足以提供所需的向心力．1．物体做离心运动的原因：提供向心力的合外力突然消失，或者合外力不能提供足够的向心力．注意：物体做离心运动并不是物体受到离心力作用，而是由于合外力不能提供足够的向心力．所谓“离心力”实际上并不存在．【例5】雨天在野外骑车时，在自行车的后轮轮胎上常会黏附一些泥巴，行驶时感觉很“沉重”．如果将自行车后轮撑起，使后轮离开地面而悬空，然后用手摇脚踏板，使后轮匀速转动，泥巴就被甩下来．如图所示，图中a、b、c、d为后轮轮胎边缘上的四个特殊位置，则(

)A．泥巴在图中a、c位置的向心加速度大于b、d位置的向心加速度B．泥巴在图中的b、c位置时最容易被甩下来C．泥巴在图中的c位置时最容易被甩下来D．泥巴在图中的a位置时最容易被甩下来√[解析]

a、b、c、d共轴转动，角速度相等，半径也相等，根