圆周运动实例分析课件-高一下学期物理教科版

高中物理必修二演讲者：曹雄2.3圆周运动的实例分析目录一、汽车通过拱形桥二、旋转秋千三、火车转弯四、离心运动【PART.01】一、汽车通过拱形桥汽车通过拱形桥拱形桥（凸形桥）凹形桥水平桥三种可能的形状01汽车通过拱形桥问题与探究02问题1：汽车静止在桥上与通过平桥时，竖直方向受力怎样？F压＝FN＝mg汽车通过拱形桥问题与探究02问题2：汽车过拱形桥时，在最高点时，车对凸桥的压力又怎样？mgFNFN＝mg？汽车过拱形桥时的一部分可以看做圆周运动，运动状态时刻在发生变化，由重力和支持力的合力提供向心力汽车通过拱形桥问题与探究02问题2：汽车过拱形桥时，在最高点时，车对凸桥的压力又怎样？mgFNv2Rmg－FN＝mv2RFN

＝mg－mv2RF压＝FN

＝mg－m汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于失重状态F压

＜mg说明：上述过程中汽车做的不是匀速圆周运动，我们仍使用了匀速圆周运动的公式，原因是向心力和向心加速度的公式对于变速圆周运动同样适用。汽车通过拱形桥问题与探究02v2Rmg＝m当FN

=0

时，汽车脱离桥面，汽车对桥面刚好没有压力，汽车与桥面之间无摩擦力，做平抛运动，汽车及其中的物体处于完全失重状态。FN＝0

时，汽车的速度为多大？v2RFN

＝mg－m问题3：汽车过拱形桥时，运动速度变大，车对拱桥的压力如何变化？mgFN临界速度汽车通过拱形桥问题与探究02问题4：汽车过凹形桥在最低点时，车对凹形桥的压力又怎样？FNmgv2RFN

＝mg+

mv2RF压＝FN

＝mg+

mv2RFN－mg＝m汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重状态若汽车通过凹桥的速度增大，会出现什么情况？F压

＞mgFN越大，轮胎的形变越大，易爆胎。汽车通过拱形桥比较三种桥面的受力情况03FN=GGFNGFNFN汽车通过拱形桥凸形桥汽车通过拱形桥凹形桥泸定桥汽车通过拱形桥拓展思考04有无可能做这样的运动？

若可能应满足怎样的条件？GFN解：汽车通过拱形桥问题与思考05

地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径.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零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？……汽车通过拱形桥算一算06【例题】地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半径R=

6400km，若汽车不断加速，则地面对它的支持力就会变小，汽车速度多大时，支持力FN会变成零？此时司机处于完全失重状态。【解析】由得这里描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中。汽车通过拱形桥航天器中的失重现象071.航天器在发射升空（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？2.航天器在轨道正常运行（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？超重FNmgaFN－mg＝maFN＞mg汽车通过拱形桥航天器中的失重现象07【解析】航天器绕地球做匀速圆周运动，假设它的线速度的大小为v，轨道半径近似等于地球半径R，航天员受到的地球引力近似等于他在地面测得的体重mg.v2RFN＝mg－mv2Rmg－FN＝mFN

＜mg失重当

时，座舱对航天员的支持力FN＝0，航天员处于完全失重.汽车通过拱形桥航天器中的失重现象07有人把航天器失重的原因说成是它离地球太远，从而摆脱了地球引力，这种说法对吗？正是由于地球引力的存在，才使航天器连同其中的人和物体绕地球做圆周运动.如果地球的引力突然消失，航天器将做什么样的运动呢？【PART.02】二、旋转秋千旋转秋千生活实例01圆锥摆模型rTGF合解：小球受力如图，合力提供向心力，由牛顿第二定律旋转秋千圆锥摆模型分析02OaL解得：圆锥摆的周期公式注意：H是悬挂点O到物体运动轨道平面的高度HrOaTGF合解：小球受力如图，合力提供向心力，由牛顿第二定律旋转秋千圆锥摆模型分析02OaL

缆绳与中心轴的夹角跟“旋转秋千”的角速度和绳长有关，而与所乘坐人的体重无关。解得：【PART.03】三、火车转弯

拓展：汽车转弯火车转弯

问题与思考：在铁路弯道处，内、外轨道的高度一样吗？为什么这样设计呢？车轮的构造01火车转弯火车转弯内外轨一样高时转弯02FNFG外轨对轮缘的弹力F提供向心力F=F向火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨.

怎么办？火车转弯外轨高于内轨时转弯03θFNGF合θ外轨略高于内轨转弯所需的向心力的方向是在水平方向上而不是在与斜面平行的方向上。O火车转弯OGFNF合θθF合＝mgtanθ轨道对轮缘无挤压，此时火车的速度为多大？火车转弯时所需的向心力Fn=

m

v2Rv＝gRtanθ

若火车的速度大于或小于这个值时，轨道对轮缘有挤压吗？完成书本P46页练习题火车转弯

当v＜gRtanθ

：

当v＞gRtanθ

：GFNθ轮缘受到外轨向内的弹力GFNθFF轮缘受到内轨向外的弹力速度过大挤压外轨速度过小挤压内轨火车转弯真实的火车转弯04火车转弯飞机转弯05GFFn类似于火车转弯汽车转弯的情况是不是也类似于火车和飞机呢？汽车转弯OmgFNFf汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢?问题与思考01汽车转弯汽车在水平路面上转弯所需要的向心力来源:汽车侧向所受的静摩擦力。OmgFNFf当汽车转弯的半径一定时,汽车的速度v越大,所需的向心力也越大,为保证汽车不滑出，最大速度为多大呢？向心力的来源02汽车转弯由此可见:当汽车转弯时,存在一个安全通过的最大速度,如果超过了这个速度,汽车将发生侧滑现象。问题与思考03如果你在转弯时怎样做会让自己安全一点呢？汽车转弯由此可见:当汽车转弯时,存在一个安全通过的最大速度,如果超过了这个速度,汽车将发生侧滑现象。改进措施:1.增大转弯半径2.增加路面的粗糙程度3.最重要的一点:司机应该减速慢行4.增加路面高度差——外高内低问题与思考03？汽车转弯高速路和赛道转弯处修成外高内低。NFnmg生活实例04汽车转弯生活实例04GNF合=mgtanθ向心力==mgtanθ此时，f为0汽车转弯生活实例04GN向心力==mgtanθffcosθfsinθNcosθNsinθ此时，f为0汽车转弯生活实例04水平面：倾斜面：【PART.04】四、离心运动离心运动原因：手中拉力消失原因：摩擦力不足以提供向心力分析图中运动产生的原因离心运动01离心运动离心运动01OF合=

mω2r，物体做匀速圆周运动F合＜mω2r，物体做逐渐远离圆心的运动F

合=0

，物体沿切线方向飞出远离圆心1.定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力时，做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动。<供提供物体做圆周运动的力需物体做匀速圆周运动所需的力离心运动理解02做离心运动的条件：物体做离心运动，并不是受到“离心力”作用，更不是“离心力”大于向心力，而是外界提供的向心力不足或突然消失。离心运动不是沿着半径背离圆心的运动，而是沿着切线或曲线离心的运动。离心运动生活中的离心运动03离心抛掷离心脱水离心浇注离心分离离心运动（1）洗衣机脱水桶①原理：利用离心运动把附着在衣物上的水分甩掉。②分析：当脱水桶快速转动时，衣物对水的附着力F不足以提供水随衣服转动所需的向心力

F，于是水滴做离心运动，穿过网孔，飞到脱水桶外面。生活中的离心运动03离心运动生活中的离心运动03（2）离心机

离心机是科研、生产中重要的实验装置，它可以把一些混合物中不同的成分分离开。在医学领域，常将血液放入低温离心机内，离心机高速转动时，血液中的红细胞所受合力不足以提供向心力而做离心运动，沉积于窗口底部，从而实现血液中不同成分的分离。离心运动离心运动的防止04赛道设计交通限速离心运动向心运动052、向心(近心)运动F>mrω2

做圆周运动的物体，在所受合外力大于物体所需的向心力时（F合>Fn），就做逐渐靠近圆心的运动，这种运动就叫做向心(近心)运动。>供提供物体做圆周运动的力需物体做匀速圆周运动所需的力离心运动离心运动练习06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(

或mω2r)的大小关系决定。(如图所示)(1)当F合＝0时，物体沿

方向

；(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

。切线离心运动匀速圆周运动近心运动飞出离心运动在水平公路上行驶的汽车，当汽车以一定速度运动时，车轮与路面间的最大静摩擦力恰好等于汽车转弯所需要的向心力，汽车沿如图所示的圆形路径(虚线)运动，当汽车行驶速度突然增大，则汽车的运动路径可能是A.Ⅰ

B.Ⅱ

C.Ⅲ

D.Ⅳ√当汽车行驶速度突然增大时，最大静摩擦力不足以提供其需要的向心力，则汽车会发生离心运动，即汽车的运动路径可能沿着轨迹Ⅱ，故选B。离心运动练习06离心运动(多选)“科技让生活更美好”，洗衣机脱水原理就来自于圆周运动知识，如图所示。在匀速转动的洗衣机脱水筒内壁上，有一件湿衣服随圆筒一起转动而未滑动，则A.加大脱水筒转动的线速度，脱水效果会更好B.加大脱水筒转动的角速度，衣服对筒壁的压力增大C.水会从脱水筒甩出是因为水滴做离心运动D.衣服随脱水筒做圆周运动的向心力由衣服受到的重力提供√√√离心运动练习06课堂练习07【练习1】（2022秋·重庆市育才中学高一期末）（多选）在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨。如图所示，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，设此时的速度大小为v，重力加速度为g，两轨所在面的倾角为θ，则（）A．该弯道的半径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．当火车速率小于v时，外轨将受到轮缘的挤压【参考答案】AB【练习2】汽车在过凹凸路面时，都会做减速操作，如图A、B分别是一段凹凸路面的最高点和最低点，若把汽车视作质点，则下列说法正确的是（）A．汽车行驶到A点时，处于超重状态，如果采取加速操作会使车胎受到更大的压力B．汽车行驶到B点时，处于超重状态，如果采取加速操作会使汽车飞离路面C．汽车行驶到A点时，处于失重状态，如果采取减速操作会增加车胎与路面间的弹力，使得行驶更加稳定安全D．汽车行驶到B点时，处于失重状态，如果采取减速操作会增加车胎与路面间的弹力，使得行驶更加稳定安全【参考答案】C课堂练习07【练习3】翻滚过山车是一种非常刺激而有趣的游乐项目。如图甲所示，小刚同学所坐的翻滚过山车正在下行中，如图乙所示，他此时所做的运动及所受合力的可能方向分别是（