第6章 第4节 生活中的圆周运动（教师用书Word）-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（人教版2019）

第4节　生活中的圆周运动 [学习目标] 1.会分析火车转弯、汽车过拱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(科学态度与责任).2.了解航天器中的失重现象及产生原因(科学思维).3.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(科学思维)． 知识点一　火车转弯 1．如果铁路弯道的内、外轨一样高，火车转弯时，由外轨对轮缘的弹力提供向心力． 2．铁路弯道的特点 (1)弯道处外轨略高于内轨． (2)火车转弯时铁轨对火车的支持力不是竖直向上的，而是斜向弯道的内侧.支持力与重力的合力指向圆心. 知识点二　汽车过拱形桥 1．汽车过凸形桥 汽车在凸形桥最高点时，如图甲所示，向心力Fn＝mg－FN＝，汽车对桥的压力F′N＝FN＝mg－，故汽车在凸形桥上运动时，对桥的压力小于汽车的重力． 2．汽车过凹形桥 汽车在凹形桥最低点时，如图乙所示，向心力Fn＝FN－mg＝，汽车对桥的压力F′N＝FN＝mg＋，故汽车在凹形桥上运动时，对桥的压力大于汽车的重力． 知识点三　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提供向心力，由牛顿第二定律得mg－FN＝m，所以FN＝mg－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． 知识点四　离心运动 1．定义：做圆周运动的物体沿切线方向飞出或做逐渐远离圆心的运动． 2．原因：提供向心力的合力实然消失或合力不足以提供所需的向心力. 3．离心运动的应用和防止 (1)应用：离心干燥器；洗衣机的脱水筒；离心制管技术；分离血浆和红细胞的离心机． (2)防止：转动的砂轮、飞轮的转速不能太高；在公路弯道，车辆不允许超过规定的速度. 1．判断下列说法的正误． (1)车辆在水平路面上转弯时，所受重力与支持力的合力提供向心力．(×) (2)车辆按规定车速通过“内低外高”的弯道时，向心力是由重力和支持力的合力提供的．(√) (3)汽车在水平路面上匀速行驶时，对地面的压力等于车重，加速行驶时大于车重．(×) (4)汽车在拱形桥上行驶，速度小时对桥面的压力大于车重，速度大时压力小于车重．(×) 2．如图所示，汽车在通过水平弯道时，轮胎与地面间的摩擦力已达到最大值，若汽车转弯的速率增大到原来的倍，为使汽车转弯时仍恰好不打滑，其转弯半径应变为原来的2倍． 考点一　火车转弯 【情境导学】 图甲为摩托车在水平道路上转弯，图乙为火车转弯，图丙为火车轮缘与铁轨，摩托车和火车转弯提供向心力的方式一样吗？铁路弯道处铁轨有什么特点？ 　　 甲　　　　　　　　　　乙　　　　　　　　　　丙 答案　摩托车转弯时由摩擦力提供向心力，火车质量太大，轮缘与外轨间的相互作用力太大，铁轨和车轮极易受损，需要设置特别的轨道，使外轨高于内轨，使火车受到的重力、支持力的合力提供向心力． 【知识拓展】 1．铁路弯道的特点 铁路弯道处，外轨高于内轨，若火车按规定的速度v0行驶，转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，即mgtan θ＝m，如图所示，则v0＝，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面间的夹角(θ很小的情况下，tan θ≈sin θ)． 2．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支持力的合力提供，此时内外轨道对火车轮缘无挤压作用．当火车行驶速度v＞v0时，外轨道对轮缘有侧向压力．当火车行驶速度v＜v0时，内轨道对轮缘有侧向压力． 【例题1】 在铁路的拐弯处，路面要造得外高内低，以减小车轮对铁轨的冲击，某段铁路拐弯半径为R，路面与水平面的夹角为θ，要使列车通过时轮缘与铁轨的侧向作用力为零，列车的车速v应为(　　) A． B． C． D． 思维导引：(1)火车转弯时的运动为水平面的圆周运动；(2)当合外力与所需向心力相等时，火车对内、外轨的侧向作用力为零． 答案　C 解析　列车匀速转弯，当列车通过时轮缘与铁轨的侧向作用力为零，重力与支持力的合力提供向心力，如图所示，根据牛顿第二定律，mgtan θ＝m，解得v＝，选项C正确，A、B、D错误． 【变式1】 (多选)在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨．如图所示，当火车以规定的行驶速度转弯时，内、外轨均不会受到轮缘的挤压，设此时的速度大小为v，重力加速度为g，两轨所在平面的倾角为θ，则(　　) A．该弯道的半径r＝ B．当火车质量改变时，规定的行驶速度大小不变 C．当火车速率大于v时，内轨将受到轮缘的挤压 D．当火车速率大于v时，外轨将受到轮缘的挤压 答案　ABD 解析 火车拐弯时不侧向挤压轮缘，靠重力和支持力的合力提供向力，根据牛顿第二定律得mgtan θ＝m，解得r＝，选项A正确；根据牛顿第二定律得mgtan θ＝m，解得v＝，可知火车规定的行驶速度大小与质量无关，选项B正确；当火车速