第3章 第3节 离心现象-【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（鲁科版2019）

第3节　离心现象 【素养目标】 物理观念 知道离心现象的产生及离心运动的应用，具有与圆周运动相关的运动与相互作用的观念。 科学思维 能在熟悉情境中运用匀速圆周运动模型解决问题。 科学探究 会通过实例分析离心运动的条件，以及离心运动在生产生活中的应用。 科学态度与责任 认识到生活中的物理问题可以用所学知识解决，科学与生活紧密联系，且对社会的发展有很深的影响。 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)根据向心力公式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)转弯处设计外高内低。 (2)火车以规定速度行驶时，恰好由重力和支持力的合力提供向心力。 3．飞机转弯问题 飞机转弯时所需的向心力由重力和空气对它的作用力的合力提供。 二、竖直平面内的圆周运动分析　 1．汽车过凸形路面汽车驶过凸形路面的顶端时，如图甲所示，由向心力公式G－N＝可知，N<G，根据牛顿第三定律，汽车在凸形路面的顶端时对路面的压力小于汽车受到的重力。 　 2．汽车过凹形路面 汽车在凹形路面底部时，如图乙所示，由向心力公式N－G＝可知N>G，根据牛顿第三定律，汽车在凹形路面底部时，对路面的压力大于汽车的重力。 3．游乐场的过山车 当小球沿圆环内侧轨道经过最高点时，向心力F＝mg＋N，根据向心力公式可得mg＋N＝m (1)当N＝0时，mg＝m，小球恰好能通过最高点，此时，小球的速度v＝，所需的向心力完全由重力提供。 (2)小球能通过最高点的条件是在最高点的速度大小v≥。 三、生活中的离心运动 1．定义：做圆周运动的物体，在受到的向心力突然消失或者不足以提供做圆周运动所需的向心力的情况下，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；洗衣机的脱水筒。 (2)防止：飞机翻飞旋转，造成过荷现象；汽车在公路转弯处必须放慢行车速度。 学生用书第81页 1．判断正误 (1)汽车、火车转弯时需要的向心力都是由重力提供的。(　×　) (2)汽车在水平道路上行驶时，最大车速受地面最大静摩擦力的制约。(　√　) (3)过山车在运动时，做的是匀速圆周运动。(　×　) (4)汽车在凸形桥上行驶时，速度较小时，对桥面的压力大于车重，速度较大时，对桥面的压力小于车重。(　×　) (5)做匀速圆周运动的物体，当提供向心力的合力突然消失或变小时将做离心运动(　√　) 2．链接实景 生活中的圆周运动随处可见，如运动物体转弯问题，只要你注意观察，就会发现铁路、高速公路、赛车的弯道处，都做成了外高内低的路面，骑自行车、骑摩托车及滑冰拐弯时身体都要向内侧倾斜，如图所示。你知道这是什么原因吗？ 提示：　倾斜身体是为了获得向内侧的静摩擦力，从而获得做圆周运动所需的向心力。 知识点一　火车转弯问题的分析 如图为火车车轮的构造及火车转弯时的情景，设火车转弯时的运动是匀速圆周运动，观察图片并思考： (1)火车转弯处的铁轨有什么特点？ 提示：火车转弯处外轨高于内轨。 (2)火车以规定速度转弯时哪些力提供向心力？ 提示：重力、轨道的支持力。 (3)火车转弯时速度过大或过小，会对哪侧轨道有侧压力？ 提示：火车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实际上是在水平面内做圆周运动，由于其质量巨大，需要很大的向心力。 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．转弯轨道受力与火车速度的关系 (1)若火车转弯时，火车所受支持力与重力的合力提供向心力，如图所示，有mg tan θ＝m，则v0＝，其中R为弯道半径，θ为轨道平面与水平面的夹角(tan θ≈)，v0为转弯处的规定速度。此时，内、外轨道对火车均无侧向挤压作用。 学生用书第82页 (2)若火车行驶速度v0＞，外轨对轮缘有侧压力。 (3)若火车行驶速度v0＜，内轨对轮缘有侧压力。 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。 思路点拨：　解此题注意以下信息 第(1)问中，外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力。 第(2)问中，重力和铁轨对火车的支持力的合力提供火车转弯的向心力。 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