第二章 第三节 生活中的圆周运动（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理必修第二册（粤教版2019）

第三节　生活中的圆周运动 课程内容要求 核心素养提炼 1.了解铁路、公路拐弯处路面有一定倾斜度的原因． 2．会分析汽车过拱形和凹形路面时的受力情况． 1.物理观念：能理解、运用匀速圆周运动的规律分析和处理生产和生活中的具体实例． 2．科学思维：通过匀速圆周运动的规律可在变速圆周运动中使用、参透特殊性和一般性之间的辩证关系，提高学生的分析能力． 3．科学探究：通过对匀速圆周运动的实例分析，参透理论联系实际的观点，提高学生分析和解决问题的能力． 4．科学态度与责任：观察高速公路弯道的特点，知道超速行驶的危害． [对应学生用书P32] 1．汽车运动特点：汽车转弯时是相当于在做圆周运动，需要很大的向心力． 2．向心力来源：(1)汽车在水平公路上转弯时，向心力由车轮与路面间的静摩擦力来提供，如图所示． 有：f＝m． (2)汽车在内低外高的倾斜路面上转弯时，如图所示． 重力mg和地面支持力FN的合力F指向弯道内侧，此时合力F恰好可以提供向心力，有mg_tan_θ＝m． [思考] 公路拐弯处都设置比平直公路更低的限速，赛车场设计的车道外高内低，请分析其中包含的物理原理？ 提示　在水平路面拐弯时靠汽车所受地面摩擦力提供向心力，由f＝m知在转弯半径一定时，速度越大，所需向心力也越大，当向心力大于最大静摩擦力Fmax，汽车将做离心运动而造成事故，故公路拐弯应设定较低速度；赛车场车道外高内低，赛车转弯时重力和支持力的合力可提供向心力，能满足较大的转弯速度． 1．火车车轮的结构特点：火车车轮由水平的踏面和突出的轮缘组成．轮缘置于铁轨的内侧，其侧面与铁轨接触．如图． 作用：轮缘有导向和防止脱轨的作用． 2．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，由于其质量巨大，因此需要很大的向心力． 3．向心力的来源 (1)若铁路弯道的内外轨一样高，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． (2)若内外轨有高度差，依据规定的行驶速度行驶，由重力和支持力的合力提供向心力． [思考] 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． 汽车过凸形路面 汽车过凹形路面 受力分析 向心力 F＝mg－FN＝m F＝FN－mg＝m 对路面的压力 FN′＝mg－m FN′＝mg＋m 结论 汽车对路面的压力小于汽车的重力，而且汽车速度越大，对路面的压力越小． 汽车对路面的压力大于汽车的重力，而且汽车速度越大，对路面的压力越大． [思考] 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．战车在B点和C点对路面的压力一样吗？ 提示　不一样，B点的压力比C点的压力大． [对应学生用书P33] 探究点一　车辆转弯问题 2020年2月27日，埃及一列由亚历山大开往马特鲁的火车发生脱轨事故，造成24人受伤．火车因其载客量大、速度快等特点，一旦发生事故就会产生严重的后果．结合我们所学的向心力的知识，思考在火车转弯时，除了垫高外轨还有哪些措施可减少脱轨事故的发生？ 提示　降低过弯速度、增加弯道半径、禁止超载． 车辆转弯的常见类型分析 (1)水平面上弯道转弯 汽车、摩托车和自行车在水平面上转弯时，其向心力都是由地面侧向摩擦力提供的．受力分析如图所示．这时重力和地面对车的支持力平衡，车辆安全转弯时，有Ffmax＝μmg≥m，所以车辆转弯的安全速度v≤. (2)外高内低斜面式弯道转弯 此时跟火车垫高外轨的情境类似，转弯时所需向心力F向由重力mg和支持力FN的合力提供．如图所示，F向＝mg tan θ＝可得v＝. 当车速v＞时，车轮将受到沿斜面向下的摩擦力(类似于外轨对火车轮缘的弹力)作用；若车速v＜，则车轮受到沿斜面向上的摩擦力作用(类似于内轨对火车轮缘的弹力). (3)飞机转弯 飞机在空中水平面内匀速率转弯时，机身倾斜，空气对飞机的作用力和飞机的重力的合力提供飞机转弯所需的向心力．如图所示，根据受力分析有N sin θ＝m，N cos θ＝mg, 解得v＝，改变转弯速度时，可以改变转弯半径和机身的倾角． 随着我国综合国力的提高，近几年来我国的公路网发展迅猛．在公路转弯处，常采用外高内低的斜面式弯道，这样可以使车辆经过弯道时不必大幅减速，从而提高通行能力且节约燃料．若某处有这样的弯道，其半径为r＝100 m，路面倾角为θ，且tan θ＝0.4，取g＝10 m/s2. (1)求汽车的最佳通过速度，即不出现侧向摩擦力时的速度大小； (2)若弯道处侧向动摩擦因数μ＝0.5，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，求汽车的最大速度是多少． [思路点拔]解答本题时应注意以下三点 (1)汽车转弯时的运动是水平面内的圆周运动；