6.4生活中的圆周运动-课件-2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

第六章 圆周运动 第 4 节 生活中的圆周运动① 火车转弯 汽车过桥 飞船失重 课堂小结 例题精析 — — Outline 大纲 生活中随处可见物体的圆周运动。大到行星的运转、小到摩天轮的旋转，无不包含圆周运动的知识。在铁路弯道处，大家留意就会发现，铁轨的内外轨道高度稍有不同。你能解释其中的原因吗？ 问 题 探 究 做匀速圆周运动的物体受到的指向圆心的合力，叫作向心力。 请回忆向心力的相关知识 向心力是按效果命名的力，可以由某个力的分力或几个力的合力提供。 思考 请回忆向心力的相关知识 赛车转弯时的向心力由地面的摩擦力来提供。 O mg FN Ff 受力分析 Ff 思考 探究1 观察火车车轮与铁轨的结构 火车在轨道上运行时，为了固定其运动轨迹。车轮内侧会有凸出的轮缘，火车转弯时的运动可以简化为圆周运动。如果内外轨道一样高，那么火车转弯时的向心力是由谁提供的？这样可能存在什么问题？ 知 能 升 级 【估算】高速列车在水平面内拐弯时，可以近似看做匀速圆周运动，一节车厢的质量m=15t，拐弯的速度大小为360km/h，拐弯的半径为1km，则外侧铁轨对轮缘的侧向挤压力FN为多大？ FN = =150000N 【建模】高速列车在水平面内拐弯时，可以近似看做匀速圆周运动。假设转弯半径为r，轨道倾角为θ，若想让车轮和轨道间无挤压，火车转弯的速度v0应该为多大？ 必备知识1 火车转弯的速度与受力 当v=v0时，轮缘不受侧向压力,临界速度。 当v＞v0时，轮缘受到外轨向内的挤压力, 外轨易损坏。 必 备 知 识 1 2 当v＜v0时，轮缘受到内轨向外的挤压力, 内轨易损坏。 3 【例1】如图所示，复兴号列车以速率v通过一段水平弯道，转弯半径为r，列车恰好与轨道间没有侧向压力，不计空气阻力，重力加速度为g，则下列判断正确的是（　　） A．列车左右两车灯的线速度大小相等 B．弯道处的外轨略高于内轨 C．内外轨所在斜面的倾角满足sinθ=v2/gr D．质量为m的乘客在拐弯过程中，受到列车给他的作用力为mv2/r B 【解析】列车转弯过程中车身上各部位周期相等，角速度相等，根据v=ꞷr可知列车外侧的车灯线速度大，A错误；列车与轨道之间无侧向压力，则弯道处的外轨会略高于内轨，且内、外轨所在斜面的倾角满足mgtanθ=mv2/r，即tanθ=mv2/r，B正确，C错误；当质量为m的乘客在转弯过程中，受到列车给他的作用力为： G N Fn 飞机转弯 F地 摩托车转弯 G Fn 探究2 汽车过拱形桥时的受力情况 汽车在通过拱形桥时的运动可以简化为圆周运动。当汽车以一定的速度v行驶至桥顶时，其向心力是由谁提供的？如果汽车的速度较大，可能会出现什么现象？如何解释这种现象？ 知 能 升 级 【建模】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，试分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力大小． 由牛顿第三定律得，汽车通过 桥的最高点时对桥的压力： 汽车过桥速度太大会怎样？ 当汽车的速度超过临界速度时，桥面支持力为0，汽车完全失重。 当速度 时，F’N=0，汽车会离开桥面，平抛之后再落回桥面。 思考 【建模】质量为m的汽车在凹形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，试分析汽车通过桥的最低点时对桥的压力大小． 由牛顿第三定律得，汽车通过 桥的最低点时对桥的压力： 汽车过桥速度太大会怎样？ 汽车通过凹形桥时处于超重状态，速度越大，FN越大，轮胎容易受损。 当速度v增大时，汽车对桥面的压力也随之增大。 思考 必备知识2 汽车过桥时的速度与受力 过凸形桥时，超过临界速度汽车可能脱离桥面。 过凹形桥时，速度较大时汽车轮胎受力也较大。 必 备 知 识 1 2 【例2】如图，一辆质量m=500kg的小汽车驶上一座半径r=40m的圆弧形拱桥。（取g=10m/s2） （1）汽车以v1=6m/s的速度经过拱桥的顶部时， 圆弧形拱桥对汽车的支持力是多大？ （2）汽车以多大速度通过拱桥的顶部时，汽车 对圆弧形拱桥的压力恰好为零？ 【解析】（1）汽车过拱桥的顶部时在竖直方向 受重力mg和支持力FN，根据牛顿第二定律有: 解得：FN=4550N （2）汽车过拱桥的顶部时，如果对桥的 压力为零，则重力提供向心力： 解得：v=20m/s 探究3 航天器中的失重现象 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