第3章 第3节 离心现象-【导与练】2022-2023学年新教材高中物理必修第二册同步全程学习全书word（鲁科版）

第3节　离心现象 学习目标 课标解读 1.会分析具体问题中的向心力来源,并能解决生活中常见问题。 2.了解什么是离心运动,知道物体做离心运动的条件。 3.能用匀速圆周运动规律分析、处理生产和生活中的实例。 4.会求非匀速圆周运动中物体在特殊点的向心力和向心加速度 通过运用牛顿运动定律分析讨论火车转弯、竖直平面内圆周运动及生活中的离心运动等实例,培养学生的科学思维 一、车辆转弯时所需的向心力 1.水平路面转弯 汽车在水平路面转弯时所需向心力由静摩擦力提供,如果弯道半径一定,汽车速度超过一定限度时,汽车就会向外侧滑。 2.倾斜路面上转弯 高速公路、铁路的弯道通常都设计成外高内低,若汽车或火车以限定速度转弯时,车转弯的向心力由重力和支持力的合力提供,如图所示。 二、竖直平面内的圆周运动分析 1.汽车过桥 汽车通过凸形路面顶端时,汽车对路面的压力小于汽车受到的重力,此时汽车处于失重状态而不易被控制;汽车通过凹形路面底部时,汽车对路面的压力将大于重力,容易出现超重现象而引发爆胎。 2.过山车通过环形轨道 在最高点,过山车的临界状态是N=0,重力提供向心力mg=m,即v=。可以看出速度必须大于或等于才能保证过山车安全运行。 三、生活中的离心运动 1.定义:做圆周运动的物体,在受到的合外力突然消失或者不足以提供做圆周运动所需要的向心力的情况下,将远离圆心运动,称为离心运动。 2.应用:离心分离器、离心干燥器、洗衣机的脱水筒等。 3.危害及防止 (1)有些离心运动会对身体造成伤害。通过训练,可以减轻离心运动对人体的伤害。 (2)有些离心运动会带来危险。为了防止事故的发生,汽车转弯时应放慢行车速度。 1.思考判断 (1)火车弯道的半径很大,故火车转弯需要的向心力很小。(　×　) (2)在弯道处内轨低外轨高时,火车按规定的速率转弯,内外轨都几乎不受火车的挤压作用。(　√　) (3)汽车驶过凸形桥最高点时,重力和支持力的合力提供向心力。(　√　) (4)汽车过凹形桥底部时,汽车对桥面的压力一定大于汽车所受重力。(　√　) (5)航天器中处于完全失重状态的物体所受合力为零。(　×　) (6)汽车在转弯时为防止侧滑造成事故,不允许超过规定的速度。(　√　) 2.思维探究 (1)火车静止在转弯处,合力为零,若火车按规定的速度转弯时,其合力也是零吗? 答案:不是。此时火车具有向心加速度,合力方向沿水平方向指向内侧。 (2)地球可以看成一个巨大的凸形桥,桥面半径等于地球半径,试讨论:地面上有一辆汽车在行驶,地面对它的支持力与汽车的速度有何关系? 答案:根据汽车过凸形桥的原理,地球对它的支持力N=mg-m,随v的增大,N减小,当v= 时,N=0,这时驾驶员与座椅之间的压力为零。 (3)在雨雪天气路面湿滑时,汽车转弯为什么要减速慢行? 答案:汽车转弯时向心力由地面对车的摩擦力来提供,路面湿滑时,最大静摩擦力减小,可提供的最大向心力变小,为保证汽车不发生侧滑,应减小汽车的行驶速度。 要点一　火车转弯问题 　 火车在铁轨上转弯可以看成是匀速圆周运动,如图所示,请思考下列问题: (1)火车转弯速度过大时,会对哪侧轨道有侧压力? (2)火车转弯速度过小时,又会对哪侧轨道有侧压力? 答案:(1)当火车转弯时速度过大(v>)时,重力和支持力的合力提供的向心力不足,此时轮缘对外侧轨道有向外的侧压力。 (2)当火车转弯时速度过小(v<)时,重力和支持力的合力提供的向心力过大,此时轮缘对内侧轨道有向里的侧压力。 1.弯道规定速度 (1)安全向心力: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,即F=mgtan θ=m。 (2)弯道规定速度:设R为弯道半径,θ为轨道平面与水平面间的夹角,v0为转弯处的规定速度,由mgtan θ=m,得出v0=。 2.弯道危险速度 (1)当火车行驶速度v> 时,外轨道对轮缘有侧压力。 (2)当火车行驶速度v< 时,内轨道对轮缘有侧压力。 (3)火车行驶速度偏离规定速度 越大,轨道对轮缘侧压力越大。 [例1] 有一列重为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。 解析:(1)v=72 km/h=20 m/s,外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力,所以有 N=m= N=1×105 N, 由牛顿第三定律可知铁轨受到的侧压力大小等于1×105 N。 (2) 火车过弯道,重力和铁轨对火车的支持力的合力正好提供向心力,如图所示,则 mgtan θ=m, 由此可得tan θ==0.1