物理离心现象+课件-2024-2025学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

第3节离心现象第三章

圆周运动学习目标1.会分析火车转弯、汽车过凹、凸桥等实际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。在铁路弯道处，内、外轨道的高度一样吗？汽车在水平地面上转弯时是什么力提供向心力的呢?OmgNf一、车辆转弯时所需的向心力1.汽车在水平路面转弯

当所需要的向心力大于所提供的向心力（即最大静摩擦力）时，汽车将发生侧滑现象。火车转弯时是什么力提供向心力的呢?2.火车转弯时向心力的来源铁路弯道的内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，外轨对轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源。F弹=Fn由于火车质量太大，因此需要很大的向心力，靠这种方法得到向心力，不仅铁轨和车轮极易受损，还可能使火车侧翻。问题2：如果外轨略高于内轨，情况又如何呢？mgF合12θ再以火车为研究对象进行受力分析，确定提供的向心力大小通过对比发现，如果使外轨略高于内轨，火车转弯时铁轨对火车的支持力与重力的合力指向圆心，提供了一部分向心力，这就减轻了轮缘与外轨间的挤压。先确定轨道平面，是1，还是2？我们如何计算这种情况下的向心力呢？3.火车转弯的临界速度的推导我们先假设火车某次过倾角为θ的弯道时，火车与轨道之间没有挤压，求此时的速度v0：mgF合θhL②火车转弯的向心力由重力与轨道对火车的支持力提供根据向心力公式：θ比较小时①③联立①②③，解得4.火车转弯时速度和轮缘与轨道之间的相互作用由以上分析可以看到，根据弯道半径和规定的行驶速度，选择合适的内外轨的高度差h,可以使火车转弯时所需向心力几乎完全由重力和支持力的合力提供。（3）如果火车行驶速度v<v0（2）如果火车行驶速度v>v0mgF合θF1F2轮缘受到外轨向内的挤压力,外轨易损坏。（1）如果火车行驶速度v=v0轮缘不受侧向压力,最安全的转弯速度轮缘受到内轨向外的挤压力,内轨易损坏。铁路弯道处超速是火车脱轨和翻车的主要原因4.飞机转弯重力和空气对它的作用力的合力提供向心力类似于火车转弯二、竖直平面内的圆周运动分析质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，试画出受力分析图，分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力。mgFNa由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力：FN＜mg1.汽车过凸桥【解】mg和FN的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得：

若汽车通过拱桥的速度增大，会出现什么情况？mgFN当FN

=0

时，汽车脱离桥面，做平抛运动，汽车及其中的物体处于完全失重状态。

（临界速度）2.汽车过凹桥mgFNa【解】G和FN的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得：可见汽车的速度v越大，对桥的压力越大。分析汽车过凹形路段最低点时对路面的压力

由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力比汽车重力大FN＜mgF压＝FN＜mg失重超重F压＝FN＝mgF压＝FN＞mg为什么过山车能通过最高点？有什么要求？mgN

F合=mg+N当速度v越小时N越小，当N恰好为0时，恰好能通过最高点3.竖直平面内的圆周运动分析在“水流星”表演中，杯子在竖直平面做圆周运动。在最高点时，杯口朝下，但杯中水却不会流下来，为什么？GNN'

（1）轻绳、单轨模型在最高点向心力全部由重力提供时，达到最小速度。通过最高点的最小速度无支撑物（2）轻杆、圆管模型通过最高点的最小速度有支撑物由于有支持力的作用，通过最高点的最小速度可为0物理情景图示在最高点的临界特点做圆周运动条件细绳拉着小球在竖直平面内运动T=0

在最高点时速度应不小于小球在竖直放置的光滑圆环内侧运动FN=0

在最高点时速度应不小于小球固定在轻杆上在竖直面内运动v>0F向

>0F向=FT+mg或F向=mg-FN在最高点速度应大于0小球在竖直放置的光滑管中运动v>0F向>0F向=FT+mg或F向=mg-FN在最高点速度应大于0

总结：竖直平面内圆周运动的临界问题三、生活中的离心运动F合＜mω2r，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.OF合=mω2r，F

合=0，物体沿切线方向飞出远离圆心物体做匀速圆周运动物体做逐渐远离圆心的运动2.条件：0≤F合＜mω2rF

=F

<F

>匀速圆周运动离心运动向心运动3.离心运动在生活中的应用离心抛掷离心脱水离心分离离心甩干4.离心运动的危害在水平公路上行驶的汽车，如果转弯时速度过大，所需向心力F很大，如果大于了最大静摩擦力Fmax，汽车将做离心运动而造成事故。因此，在公路弯道，车辆不允许超过规定的速度。高速转动的砂轮、飞轮等，都不得超过允许的最大转速。转速过高时，砂轮、飞轮内部分子间的相互作用力不足以提供所需向心力，离心运动会使它们破裂，酿成事故。1.下列说法中正确的是（

）A．物体做离心运动时，将离圆心越来越远B．物体做离心运动时，其运动轨迹是半径逐渐增大的圆C．做离心运动的物体，一定不受到外力的作用D．做匀速圆周运动的物体，因受合力大小改变而不做圆周运动时，将做离心运动A2.一质量为2.0×103kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104N，当汽车经过半径为80m的弯道时，下列正确的是()A.汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力B.汽车转弯的速度为20m/s时所需的向心力为1.4×104NC.汽车转弯的速度为20m/s时汽车会发生侧滑D.汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0m/s2D3.杂技演员表演“水流星”，在长为1.6m的细绳的一端，系一个与水的总质量为m＝0.5kg的盛水容器，以绳的另一端为圆心，在竖直平面内做圆周运动，如图所示，若“水流星”通过最高点时的速率为4m/s，则下列说法正确的是（g＝10m/s2）（）A．“水流星”通过最高点时，有水从容器中流出B．“水流星”通过最高点时，绳的张力及容器底部受到的压力均为零C．“水流星”通过最高点时，处于完全失重状态，不受力的作用D．“水流星”通过最高点