6.4 生活中的圆周运动-【赢在微点】轻松课堂2023-2024学年新教材高中物理必修 第二册人教版（2019）

4.生活中的圆周运动 1.能根据所学知识分析生活中的各种圆周运动现象,在此过程中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,了解其在生活中的应用,并知道离心运动所带来的危害。 　　生活中的圆周运动到处可见,如火车、汽车、摩托车、自行车、飞机、滑冰运动员等的转弯运动。只要你注意观察就会发现,高速公路上、赛车的弯道处都做成外高内低的路面,摩托车、自行车转弯时车身都要倾斜,滑冰运动员转弯时要向转弯处的内侧倾斜,如图所示。 公路弯道处外高内低的原因是什么?把路面修成水平有何缺陷?转弯时车身为什么要倾斜? 　 知|识|梳|理 一、火车转弯 1.火车在弯道上的运动特点。 火车转弯时做圆周运动,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。 如果铁路弯道的内外轨一样高,火车转变时,外轨对轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源,这样铁轨和车轮极易受损。 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再是竖直的,而是斜向弯道的内侧。 (3)铁轨对火车的支持力与火车所受重力的合力方向指向轨道的圆心,它提供了火车以规定速度行驶时的向心力。 二、汽车过拱形桥 汽车过拱形桥 汽车过凹形桥 受力 分析 向心力 Fn=G-FN=m Fn=FN-G=m 对桥的 压力 F'N=G-m F'N=G+m 结论 汽车对桥的压力小于汽车的重力,而且汽车速度越大,对桥的压力越小 汽车对桥的压力大于汽车的重力,而且汽车速度越大,对桥的压力越大 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,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。 四、离心运动 1.定义:做圆周运动的物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动。 2.原因:向心力突然消失或外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。 (2)防止:汽车在公路转弯处必须限速行驶;转动的砂轮、飞轮的转速不能太高。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”) (1)铁路的弯道处,内轨高于外轨。 (×) (2)行驶的汽车经过拱形桥顶部时,对桥面的压力等于车重。 (×) (3)汽车行驶至凹形桥底部时,对桥面的压力大于车重。 (√) (4)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的宇航员处于完全失重状态,故不再受重力。 (×) (5)航天器中处于完全失重状态的物体所受合力为零。 (×) (6)做离心运动的物体可以沿半径方向向外运动。 (×) 2.城市中为了解决交通问题,修建了许多立交桥。如图所示,桥面是半径为R的圆弧形的立交桥AB横跨在水平路面上,一辆质量为m的小汽车,在A端冲上该立交桥,小汽车到达桥顶时的速度大小为v1,若小汽车在上桥过程中保持速率不变,则 (　　) A.小汽车通过桥顶时处于失重状态 B.小汽车通过桥顶时处于超重状态 C.小汽车在上桥过程中受到桥面的支持力大小为FN=mg-m D.小汽车到达桥顶时的速度必须大于 解析　由圆周运动知识知,小汽车通过桥顶时,其加速度方向向下,由牛顿第二定律得mg-FN=m,解得FN=mg-m<mg,故其处于失重状态,A项正确,B项错误;FN=mg-m只在小汽车通过桥顶时成立,而其上桥过程中的受力情况较为复杂,C项错误;由mg-FN=m,FN≥0解得v1≤,D项错误。 答案　A 　 探究一 火车转弯问题 1.转弯轨道特点。 (1)火车转弯时重心高度不变,轨道是圆弧,轨道圆面在水平面内。 (2)转弯轨道外高内低,这样设计是使火车受到的支持力向内侧发生倾斜,以提供做圆周运动的向心力。 2.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充当向心力,如图所示,则mgtan θ=m,v0=,其中R为弯道半径,θ为轨道平面与水平面的夹角,v0为转弯处的规定速度。此时,内外侧轨道对火车均无侧向挤压作用。 (2)若火车行驶速度v>,外轨对轮缘有侧压力。 (3)若火车行驶速度v<,内轨对轮缘有侧压力。 【例1】　为适应国民经济的发展需要,我国高铁技术发展迅速。当动车速度达到350 km/h时,其转弯半径约8 km,否则就不安全。转弯可以看作是做匀速圆周运动,动车速度提高易使外轨受损。为解决动车高速转弯时使外轨受损这一难题,你认为理论上可行的措施是 (　　) A.减小弯道半径 B.增大弯道半径 C.适当减小内、外轨道的高度差 D.轨道的半径和内、外轨道的高度差均不变 解析　 若动车转弯时铁轨不受挤