第六章 4.生活中的圆周运动-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

4.生活中的圆周运动 【学习目标】 学科知识 学科能力 学科素养 1.火车转弯问题 2.汽车过拱形桥问题 3.航天器中的失重现象 4.离心运动 1.根据所学知识分析生活中的各种圆周运动现象，体会模型建构的方法 2.知道航天器中的失重现象 3.观察生活中的离心现象，知道离心运动产生的原因，了解离心运动在生活中的应用和所带来的危害 1.物理观念：能用圆周运动的知识解释离心运动和向心运动。 2.科学思维：能够将火车转弯、汽车过拱形桥等实际问题转化为圆周运动模型，并进行推理分析，得出结论 3.科学探究；通过分析火车转弯、汽车过拱形桥、离心运动等实际情境探究向心力的来源，获得数据，形成结论 4.科学态度与责任：能够将学到的圆周运动知识应用到道路设计、行车安全等日常生活中 知识点一　火车转弯 如图所示，火车在铁轨上转弯可以看成是匀速圆周运动。 (1)火车以规定的速度转弯时，什么力提供向心力？ (2)火车转弯时速度过大或过小，会对哪侧轨道有侧压力？ 提示：(1)以规定的速度转弯时，重力和支持力的合力提供向心力。 (2)转弯时速度过大会对轨道外侧有压力，速度过小会对轨道内侧有压力。 1．火车在弯道上的运动特点 火车在弯道上运动时做圆周运动，具有向心加速度，由于其质量巨大，因此需要很大的向心力。 2．转弯处内外轨一样高的缺点 如果转弯处内外轨一样高，则由外轨对轮缘的弹力提供向心力，这样铁轨和车轮极易受损，还可能使火车侧翻。 3．铁路弯道的特点 (1)转弯处外轨略高于内轨。 (2)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。 (3)当火车以规定的速度行驶时，铁轨对火车的支持力与火车所受重力的合力指向轨道的圆心，它提供了火车以规定速度行驶时所需的向心力。 【判断正误】 1．火车转弯可以简化为水平面上的圆周运动。(　　) 2．火车转弯处的轨道内轨要高于外轨。(　　) 3．火车转弯时的向心力一定是重力与铁轨支持力的合力提供的。(　　) 4．火车通过弯道时具有速度的限制。(　　) 答案：1.√　2.×　3.×　4.√ 1．弯道的特点：弯道处外高内低，但火车或汽车在行驶过程中，重心高度不变，即重心轨迹在同一水平面内，向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。 学生用书↓第49页 2．向心力的来源：车速合适时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。 3．转弯规定速度：若火车或汽车转弯时只受重力和支持力作用，则mgtan θ＝m，可得转弯规定速度v0＝。[R为弯道半径，θ为路轨平面(或路面)与水平面的夹角] 4．轨道压力与火车速度的关系 (1)当火车行驶速度v等于转弯规定速度v0时，所需向心力仅由重力和支持力的合力提供，此时火车对内、外轨道无挤压作用。 (2)当火车行驶速度v>v0时，外轨道对轮缘有侧压力。 (3)当火车行驶速度v<v0时，内轨道对轮缘有侧压力。 铁路在弯道处的内、外轨高度是不同的，已知内、外轨所在平面与水平面的夹角为θ，如图所示，弯道处的圆弧半径为R，若质量为m的火车转弯时速度等于，则(　　 ) A．内轨对内侧车轮轮缘有挤压 B．外轨对外侧车轮轮缘有挤压 C．这时铁轨对火车的支持力等于 D．这时铁轨对火车的支持力大于 C　[火车转弯时需要的向心力Fn＝＝mgtan θ，由受力分析可知，支持力与重力的合力正好等于向心力，故火车轮缘对内、外轨无挤压，选项A、B错误；由竖直方向受力平衡知mg＝FNcos θ，可知选项C正确，D错误。] 方法技巧 火车转弯问题的解题策略 1．解答火车转弯问题时一定要搞清合力的方向。火车做圆周运动所需的向心力的方向指向水平面内的圆心。 2．弯道两轨在同一水平面上时，向心力由外轨对轮缘的挤压力提供。 3．当外轨高于内轨时，向心力由火车的重力和铁轨的支持力以及内、外轨对轮缘的挤压力的合力提供，且与火车的速度大小有关。　 针对练1.(多选)如图所示，铁路转弯处外轨应略高于内轨，火车必须按规定的速度行驶，则转弯时(　　 ) A．火车所需向心力沿水平方向指向弯道内侧 B．弯道半径越大，火车所需向心力越大 C．火车的速度若小于规定速度，火车轮缘对外轨挤压 D．火车若要提速行驶，弯道的坡度应适当增大 AD　[火车转弯做匀速圆周运动，合力指向圆心，受力分析如图所示，由向心力公式Fn＝F合＝m＝mgtan θ。因此，m、v一定时，r越大，Fn越小；若v小于规定速度，火车轮缘对内轨挤压；当m、r一定时，若要增大v，必须增大θ，故A、D正确。] 针对练2.(2022·河南省郑州外国语学校月考)火车转弯时，如果铁路弯道的内、外轨一样高，则外轨对轮缘(如图所示)挤压的弹力F提供了火车转弯的向心力(如图所示)，但是靠这种办法得到向心力，铁轨和车轮极易受损。在修筑铁路时，弯道处的