2019-2020学年新教材人教版高中物理必修二（课件+检测）：第六章 4 (2份打包)

4.生活中的圆周运动 1．巩固向心力和向心加速度的知识。 2．会在具体问题中分析向心力的来源。 3．会利用牛顿第二定律解决生活中比较简单的圆周运动问题。 1.火车转弯 (1)运动特点：火车转弯时实际是在做圆周运动，因而具有大的向心力。 向心加速度，由于其质量巨大，需要很 (2)轨道设计：弯道处外轨略重力G和支持力FN的合力来提供。 圆心。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斜向弯道内侧，它与重力G的合力指向高(选填“高”或“低”)于内轨，火车转弯时铁轨对火车的支持力FN的方向是 2．汽车过拱形桥 3．航天器中的失重现象 (1)向心力分析：航天员受到的地球引力与座舱对他的支持力的合力为他提供绕地球做匀速圆周运动所需的向心力，失重状态。 ，故宇航员处于m，所以FN＝mg－FN＝m (2)完全失重状态：当v＝时，座舱对航天员的支持力FN＝0，航天员处于完全失重状态。 4．离心运动 (1)定义：做圆周运动的物体沿切线飞出或逐渐远离圆心的运动。 (2)原因：向心力突然所需的向心力。 消失或合力不足以提供 (3)应用：洗衣机脱水，纺织厂使棉纱、毛线、纺织品干燥，制作无缝钢管、水泥管道、水泥电线杆，分离血液等。 (4)危害：汽车转弯时，若最大静摩擦力不足以提供所需的向心力，汽车会做离心运动而造成事故。高速转动的砂轮、飞轮，若超过最大转速，会做离心运动致使破裂，造成事故。 判一判 (1)铁轨弯道处外高内低，是为了方便火车转弯。(　　) (2)若弯道处重力与支持力的合力恰好提供火车做圆周运动的向心力，则火车处于平衡状态。(　　) (3)水平路面上，车辆转弯时，静摩擦力提供向心力。(　　) 提示：(1)√　铁轨外高内低使火车受到的重力与支持力的合力指向圆心，为火车提供向心力。 (2)×　火车做圆周运动，受力不平衡，并不处于平衡状态。 (3)√　水平路面上，重力与支持力沿竖直方向，只能由静摩擦力提供向心力。 想一想 洗衣机脱水的原理是什么？ 提示：洗衣机脱水时，由于高速转动，水滴需要较大的向心力才能与衣服一起做圆周运动。当转速足够大时，衣服已无法向水滴提供足够大的附着力(作为向心力)，水滴便做离心运动，离开衣服，于是衣服被脱水。 课堂任务　火车转弯 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如图甲所示，如果铁路弯道的内外轨一样高，火车在转弯时的向心力由什么力提供？会导致怎样的后果？ 提示：如果铁路弯道的内外轨一样高，火车在竖直方向所受重力与支持力平衡，其向心力由外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，对轮缘产生的弹力来提供(如图甲)；由于火车的质量太大，轮缘与外轨间的相互作用力太大，铁轨和车轮会极易受损。 活动2：实际上在铁路的弯道处外轨略高于内轨，试从向心力的来源分析这样做有怎样的优点？若火车的速度为v，轨道平面与水平面之间的夹角θ应满足什么样的关系，轨道才不受挤压？ 提示：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，而是垂直轨道平面指向弯道的内侧，它的水平分力为火车转弯提供一部分向心力(如图乙)，从而减轻轮缘与外轨的挤压。要使轨道不受挤压，需要重力和支持力的合力提供向心力，则Fn＝F＝mgtanθ＝m，其中R为弯道半径。，所以θ应满足tanθ＝ 活动3：讨论、交流、展示，得出结论。 1．弯道的特点：在实际的火车转弯处，外轨高于内轨，若火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，如图所示，即mgtanθ＝m，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面的夹角，v0为转弯处的规定速度。 ，则v0＝ 2．速度与轨道压力的关系 (1)当火车行驶速度v等于规定速度v0时，所需向心力仅由重力和弹力的合力提供，此时火车对内外轨无挤压作用。 (2)当火车行驶速度v>v0时，火车对外轨有挤压作用。 (3)当火车行驶速度v<v0时，火车对内轨有挤压作用。 3．注意事项 (1)合力的方向：因为火车转弯的圆周平面是水平面，不是斜面，所以火车的向心力即合力应沿水平面指向圆心，而不是沿轨道斜面向下。 (2)规定速度的唯一性：火车轨道转弯处的规定速率一旦确定则是唯一的，火车只有按规定的速率转弯，内外轨才不受火车的挤压作用。速率过大时，由重力、支持力及外轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力；速率过小时，由重力、支持力及内轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力。 例1　有一列质量为100 t的火车，以72 km/h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道，轨道半径为400 m。(g取10 m/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。 (1)内外轨一样高火车靠什么提供向心力？ 提示：外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯