6.4生活中的圆周运动 课件 -2023-2024学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

必修第二册 第六章 生活中的圆周运动 学习目标 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. 01 02 知道航天器中的失重现象。 03 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。 2 引入新课 在铁路弯道处，稍微留意一下，就能发现内、外轨道的高度略有不同。你能解释其中的原因吗？ 问题 车轮的构造 转弯时内外轨一样高 如果铁路弯道的内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，外轨对轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源（图6.4-2） 但是，火车质量太大，靠这种办法得到向心力，将会使轮缘与外轨间的相互作用力过大，不仅铁轨和车轮极易受损，还可能使火车侧翻。 转弯时外轨高于内轨 火车转弯时铁轨对火车的支持力FN的方向不再是竖直的，而是斜向弯道的内侧，它与重力G的合力指向圆心，为火车转弯提供了一部分向心力。 θ FN G F合 θ O 向心力的方向是在水平方向上而不是在与斜面平行的方向上。 详细分析 由受力分析得： θ FN G F合 θ 若轨道对轮缘无挤压合力恰好可提供转弯所需的向心力则： 若火车的速度大于或小于这个值时，轨道对轮缘有挤压吗？ 详细分析 当 v＞ gR tanθ ： 轮缘受到外轨向内的弹力 G FN θ F G FN θ F 当 v＜ gR tanθ ： 轮缘受到内轨向外的弹力 飞机转弯 G F Fn 飞机转弯类似于火车转弯，但是汽车转弯的情况是不是也类似于火车呢？ O mg FN Ff 问题与思考 汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢? 汽车在水平路面上转弯由侧向所受的静摩擦力提供向心力。 问题与思考 当汽车转弯的半径一定时,汽车的速度v越大,所需的向心力也越大,静摩擦力也越大,当静摩擦力为最大静摩擦力时: 由此可见:当汽车转弯时,存在一个安全通过的最大速度,如果超过了这个速度,汽车将发生侧滑现象。 改进措施: 1.增大转弯半径 2.增加路面的粗糙程度 3.最重要的一点:司机应该减速慢行 4.增加路面高度差——外高内低 生活实例 高速路和赛道转弯处修成外高内低。 为了保证汽车过桥时汽车和桥梁的安全，在桥梁的设计上有没有要求？ FN mg 斜面向上 斜面向下 汽车在高速路（倾斜面）转弯 拱形桥-三种可能的形状 拱形桥 （凸形桥） 凹形桥 水平桥 问题与探究 问题1：汽车静止在桥上与通过平桥时，受力怎样？ F压＝FN＝mg 问题与探究 问题2：汽车过拱形桥时，在最高点时，车对凸桥的压力又怎样？ mg FN v2 R mg－FN＝m v2 R FN ＝mg－m v2 R F压＝FN ＝mg－m 汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于失重状态 F压 ＜mg 问题与探究 问题3：汽车过拱形桥时，运动速度变大，车对拱桥的压力如何变化？ v2 R mg＝m 当 FN =0 时，汽车脱离桥面，做平抛运动，汽车及其中的物体处于完全失重状态。 FN＝0 时，汽车的速度为多大？ v2 R FN ＝mg－m mg FN 临界速度 问题与探究 问题4：汽车过凹形桥在最低点时，车对凹形桥的压力又怎样？ FN mg v2 R FN ＝mg + m v2 R F压＝FN ＝mg + m v2 R FN－mg＝m 汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重状态 若汽车通过凹桥的速度增大，会出现什么情况？ F压 ＞mg 比较三种桥面的受力情况 FN = G G FN 问题与思考 地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径.会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？…… 算一算 【例题】地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半径R = 6400km，若汽车不断加速，则地面对它的支持力就会变小，汽车速度多大时，支持力FN会变成零？ 此时司机处于完全失重状态。 【解析】由 得 这里描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中。 航天器中的超失重问题 1.航天器在发射升空（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？ 2.航天器在轨道正常运行（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？ 超重 FN mg a FN－mg ＝ma FN＞mg 分析与解读 【解析】航天器绕地球做匀速圆周运动，假设它的线速度的大小为v ，轨道半径近似等于地球半径R ，航天员受到的地球引力近似等于他在地面测得的体重mg . v2 R FN ＝mg－m v2 R mg－FN＝m FN ＜mg 失重 当 时，座舱对航天员的支持力FN＝0 ，航天员处于完全失重. 思考与拓展 有人把航天器失重的原因说成是它离地球太远，从而摆脱了地球引力，这种说法对吗？ 答：正是由于地球引力的存在，才使航天器连同其中的人和物体绕地球做圆周运动. 问：如果地球的引力突然消失，航天器将做什么样的运动呢？ 离心运动 定义：做圆周运动的物体，在其所受合外力突然消失，或不足以提供圆周运动所需向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫作离心运动。 做离心运动的条件： 理解 物体做离心运动，并不是受到“离心力”作用，更不是“离心力”大于向心力，而是外界提供的向心力不足或突然消失。 离心运动不是沿着半径背离圆心的运动，而是沿着切线或曲线离心的运动。 生活中的离心运动 离心脱水 离心分离 离心浇注 离心抛掷 生活中的离心运动 规律总结 Fn =mω2r时，物体恰好做圆周运动 Fn <mω2r时，物体逐渐远离圆心，做离心运动； Fn＝0时，物体沿切线方向飞出 Fn>mω2r时，物体逐渐靠近圆心，做向心运动。 课堂练习 1. 如果高速转动的飞轮的重心不在转轴上，运行将不稳定，而且轴承会受到很大的作用力，加速磨损。图6.4-10中飞轮半径r＝20cm，OO′为转动轴。正常工作时转动轴受到的水平作用力可以认为是0。假想在飞轮的边缘固定一个质量m＝0.01 kg的小螺丝钉P，当飞轮转速n＝1 000 r/s时，转动轴OO′受到多大的力？ 课堂练习 2. 有一种叫“飞椅”的游乐项目（图6.4-11）。长为L的钢绳一端系着座椅，另一端固定在半径为r的水平转盘边缘。转盘可绕穿过其中心的竖直轴转动。当转盘以角速度ω匀速转动时，钢绳与转轴在同一竖直平面内，与竖直方向的夹角为θ。不计钢绳的重力。分析转盘转动的角速度ω与夹角θ的关系。 课堂练习 3. 质量为2.0×103kg的汽车在水平公路上行驶，轮胎与路面间的最大静摩擦力为1.4×104N。汽车经过半径为50 m的弯路时，如果车速达到72 km/h，这辆车会不会发生侧滑？ 课堂练习 4. 有一辆质量为800 kg的小汽车驶上圆弧半径为50 m的拱桥，不考虑空气阻力，g取10 m/s2。 （1）汽车到达桥顶时速度为5 m/s，汽车对桥的压力是多大？ （2）汽车以多大速度经过桥顶时恰好腾空，对桥没有压力？ （3）汽车对地面的压力过小是不安全的。从这个角度讲，汽车过桥时的速度不能过大。对于同样的车速，拱桥圆弧的半径大些比较安全，还是小些比较安全？ （4）如果拱桥的半径增大到与地球半径R一样，汽车要在桥面上腾空，速度要多大？ 课堂练习 5. 质量为25 kg的小孩坐在秋千上，小孩离系绳子的横梁2.5 m。秋千摆到最低点时，如果小孩运动速度的大小是5 m/s，他对秋千的压力是多大？ $$