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

6.4 生活中的圆周运动 学习目标 1 火车转弯 1．火车车轮的结构特点 火车的车轮上有突出的轮缘，且火车在轨道上运行时有突出轮缘的一边在两轨道的内侧，如图所示，这种结构有助于使火车运动的轨迹保持稳定 1 火车转弯 2．火车转弯时向心力的来源分析 (1）如果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，外轨对轮缘的弹力提供火车转弯的向心力，如图甲所示．但是，火车质量太大，所以需要很大的向心力，靠这种办法得到向心力，将会使轮缘与外轨间的相互作用力太大，铁轨和车轮极易受损． (2）如果在弯道处使外轨略高于内轨（如图乙所示），火车转弯时铁轨对火车的支持力 F 、的方向不再是竖直的，而是斜向弯道的内侧，它与重力 G 的合力指向圆心，为火车转弯提供一部分向心力，可以减轻轮缘与外轨间的挤压． ◎火车转弯时在水平面内做匀速圆周运动，轨迹在水平面内，所受合力沿水平方向，而不是沿轨道斜面方向． 火车行驶的受力分析 1 火车转弯 FN F向 mg 火车转弯的速度分析 1 火车转弯 火车转弯时的速度与v0、受力的关系 1 火车转弯 v>v0 v<v0 1 火车转弯 火车转弯时的速度与v0、受力的关系的应用 高速公路、赛车的弯道处设计成外高内低，使重力和支持力的合力能提供车：辆转弯时的向心力，减少由于转弯产生的摩擦力对车轮的损坏，目的是在安全许可的范围内提高车辆的运行速度． 1.汽车通过拱形桥最高点时的情况 2 汽车过拱形桥 汽车过拱形桥的最高点时，圆心在桥面下方，向心加速度竖直向下，汽车受到桥面的支持力小于自身重力，汽车处于失重状态 (1）如图所示，质量为 m 的汽车通过桥面最高点时速率为v，桥面的圆弧半径为 R .此时重力 mg 和支持力 Fn的合力提供汽车在该点的向心力．由牛顿第二定律得 F = mg - Fn=m 桥面对汽车的支持力 F n= < mg ．由牛顿第三定律知，汽车对桥面的压力 F n’= F n= < mg ，方向竖直向下． (2）由 F '= 可知，汽车的行驶速率越大，汽车对桥面的压力越小；当汽车的速率等于√ gR 时，汽车对桥面的压力为零，这是汽车在桥面上运动的最大速度，超过这个速度，汽车将飞离桥面． 2 汽车过拱形桥 2．汽车通过凹形路面最低点时的情况 汽车通过凹形路面的最低点时，圆心在地面上方，向心加速度竖直向上，汽车受到地面的支持力大于自身重力，汽车处于超重状态． 如图所示，重力 mg 和支持力 F n的合力提供汽车在该点的向心力，由牛顿第二定律得 F = Fn- mg = 地面对汽车的支持力 Fn= mg + m nnn > mg ．由牛顿第三定律知，汽车对地面的压力 Fn’ = F n= mg + nnnnnn> mg ，方向竖直向下，可见，此位置汽车对地面的压力大于自身重力，且汽车行驶的速率越大，汽车对地面的压力就越大，这也是汽车高速过凹形路面时容易爆胎的原因． ◎汽车在拱形桥最高点和凹形路面最低点时，支持力和重力在同一竖直线上，故合力也在此竖直线上，当汽车不在拱形桥的最高点或形路面的最低点时，不能用此种方法求解． 航天器在近地轨道上的运动 3 航天器中的失重现象 （1）航天器绕地球做匀速圆周运动时，航天器只受地球引力，引力提供了它丝球做匀速圆周运动所需的向心力，即F引=mv2/R (2）在绕地球做匀速圆周运动的航天器中的航天员处于完全失重状态． (3）对失重现象的认识 航天器内的任何物体都处于完全失重状态，但并不是物体摆脱了地球引力，反而是因为地球引力的存在才使航天器连同其中的乘员能环绕地球转动． 航天器中失重状态下物体的受力及运动特征 3 航天器中的失重现象 (1）物体仍受重力作用，并不是重力消失，只是重力 全部用来提供向心力． (2）物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力消失．具体表现为无法用弹簧测力计测量物体的重力（但可以测拉力），无法用天平测量物体的质量． (3）物体的速度不断变化，物体具有加速度，处于非平衡状态． 4 离心运动 1．概念 做周运动的物体，在合力突然消失时，物体沿切线方向飞出去或在合力不足以提供所需的向心力时，物体虽然不会沿切线飞去，也会逐渐远离圆心，这里描述的运动叫作离心运动。 2．产生离心运动的原因 做圆周运动的物体，由于惯性，总有沿着切线方向飞出去的倾向，但是物体没有飞出去，是因为受到向心力的作用在合力突然消失或者不足以提供