第3章 第3节 离心现象（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第二册（鲁科版2019）

第3节　离心现象(赋能课—精细培优科学思维) 课标要求 层级达标 了解生产生活中的离心现象及其产生的原因。 学考层级 1.会分析做圆周运动物体的向心力的来源。 2.了解离心现象和物体做离心运动的条件。 3.能够用道德和规范评价物理研究和应用。 选考层级 建构车辆转弯模型、汽车过凸凹路面模型，掌握物体在竖直平面内做圆周运动的临界条件，理解其动力学本质。 一、车辆转弯时所需的向心力 1．汽车转弯问题 (1)汽车在水平路面上转弯时，有向外侧滑的趋势，地面会对汽车产生指向内侧的静摩擦力。 (2)根据公式f＝m，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．火车转弯问题 (1)弯道通常设计成外高内低。 (2)若火车转弯时，火车轮缘不受轨道压力，则mgtan θ＝m，故v＝，其中r为弯道半径，θ为弯道的倾角，v为弯道规定的速度。 二、竖直平面内的圆周运动分析 1．汽车过凸形路面 汽车行驶到凸形路面的顶端时，如图甲所示，由向心力公式G－N＝m 可知，N＜G，根据牛顿第三定律，汽车行驶到凸形路面的顶端时，对路面的压力小于汽车的重力。 2．汽车过凹形路面 汽车行驶到凹形路面底部时，如图乙所示，由向心力公式N－G＝m可知，N＞G，根据牛顿第三定律，汽车行驶到凹形路面底部时，对路面的压力大于汽车的重力。 3．过山车(在最高点和最低点) (1)向心力来源：受力如图所示，重力和支持力的合力提供向心力。 (2)向心力方程 ①在最高点：mg＋N＝m。 ②在最低点：N′－mg＝m。 (3)通过最高点的条件：由N≥0，得v≥。 三、生活中的离心运动 1．离心运动的定义：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，物体将远离圆心运动。 2．离心运动的应用和防止 (1)应用：离心分离器、离心干燥器、洗衣机的脱水桶。 (2)防止：飞机翻飞旋转时，造成人体出现过荷现象，需要训练人体的抗荷能力；汽车在公路转弯处必须放慢行车速度。 [微情境·大道理] 1．火车转弯时外轨与内轨的高度一样吗？火车的车轮设计有什么特点？ 提示：火车转弯时外轨与内轨高度不一样，外轨高、内轨低。火车的车轮设计有突出的轮缘，车轮的轮缘卡在铁轨之间。 2．某次演习中，一辆战车以恒定的速度在起伏不平的路面上行进。 请对以下结论作出判断： (1)战车在B点和C点时，向心加速度方向都是竖直向上的。(×) (2)战车在B点时对路面的压力大于战车的重力。(√) (3)战车在C点时对路面的压力小于战车的重力。(√) (4)战车在C点时对路面的压力可能为零。(√) (5)战车在D处路面加速行驶时，对路面的压力大于战车的重力。(×) 3．如图所示，是一款滚筒洗衣机及其滚筒，请思考洗衣机是如何将衣服甩干的？ 提示：当滚筒高速旋转时，衣服紧贴着筒壁随圆筒高速转动，衣服上的水滴的附着力不足以提供随圆筒转动的向心力时，水滴会做离心运动从圆筒的小孔中被甩出。 强化点(一)　车辆转弯时所需的向心力 任务驱动　 如图火车转弯时的运动是圆周运动。 (1)如果轨道是水平的，火车转弯时受到哪些力的作用？转弯需要的向心力由什么力来提供？ (2)如果火车在水平轨道转弯会产生哪些危害？如何改进？ 提示：(1)火车受重力、支持力、牵引力、摩擦力和外轨对火车的弹力作用；外轨对火车的弹力提供火车转弯所需的向心力。 (2)对水平的弯道，火车转弯时速度越大，需要的向心力越大，容易造成对外轨的损坏，甚至造成火车脱轨；可以把弯道处建成外高内低的斜面，由重力和支持力的合力提供向心力。 [要点释解明] 1．汽车转弯问题 汽车在水平路面上转弯时做圆周运动，由静摩擦力提供向心力，根据μmg＝m可得转弯过程中的速度不能超过。 2．火车转弯问题 (1)火车车轮的特点：火车的车轮有凸出的轮缘，火车在铁轨上运行时，车轮与铁轨有水平与竖直两个接触面。这种结构特点，主要是避免火车运行时脱轨，如图所示。 (2)圆周平面的特点：弯道处外轨高于内轨，但火车在行驶过程中，重心高度不变，即火车的重心轨迹在同一水平面内，火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。 (3)向心力的来源分析：火车速度合适时，火车受重力和支持力作用，火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F＝mgtan θ。 (4)规定速度分析：若火车转弯时只受重力和支持力作用，不受轨道压力，则mgtan θ＝m，可得v0＝，R为弯道半径，θ为轨道所在平面与水平面的夹角，v0为转弯处的规定速度。 (5)轨道侧压力分析 [典例]　某铁路转弯处的圆弧半径是300 m，铁轨的轨距是1 435 mm，火车通过这里的规定速度是72 km/h。 (1)求内外轨的高度差。 (2)保持内外轨的这个高度差，如果列车通过转弯处