3.2 科学探究：向心力 课件 -2024-2025学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

第二节 科学探究：向心力 高中物理鲁科版（2019）必修第二册 教学课件 Teaching Courseware 20XX.XX.XX 第三章 圆周运动 PART.1 PART.2 PART.3 PART.4 素养目标 新课讲解 新课导入 经典例题 目录 CONTENTS PART.2 PART.4 课堂练习 课堂小结 1.理解向心力和向心加速度的概念。 2.通过科学探究，知道影响向心力大小的因素，探究影响向心力大小与半径、角速度、质量的关系。 3.能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力，通过实例认证向心力的作用及来源， 4.在实验过程中掌握实验探究的步骤和方法，进一步体会控制变量法在实验过程中的应用，提高科学探究的能力，培养了严谨的科学态度。 素养目标 新课导入 游乐场里有各种有趣的游戏项目，空中飞椅因其刺激性而深受很多年轻人的喜爱。飞椅与人一起运动的过程中，受到了哪些力？ 做圆周运动时，所受合力的方向有什么特点？ 新课讲解 New lesson explanation 新课讲解 探究实验： 取一根细绳，一端系一小球，另一端固定在一枚图钉上，将图钉钉于水平光滑木板上。 ①用手指沿小球与图钉连线的垂直方向轻轻弹击小球，在细绳未伸直前，小球做什么运动？ (2)用手指弹击小球，方向同上，加大弹击力量，使小球运动过程中细绳伸直。细绳伸直后，小球做什么运动? 新课讲解 上述实验中，小球在桌面上做匀速圆周运动时，受到三个力的作用，即重力 G、桌面支持力 N 和绳子的拉力 F，合力就是绳子的拉力 F。虽然拉力的方向时刻在改变，但它始终指向圆心，这就是小球做匀速圆周运动的原因。 ①拉力使小球做圆周运动 ②拉力指向圆心 分析小球在桌面上做圆周运动时受力情况？ 新课讲解 一、向心力 3.效果：向心力只改变速度的方向，不改变速度的大小如果物体做匀速圆周运动，合力提供向心力；如果物体做非匀速圆周运动( 线速度大小会改变)，合力的一部分提供向心力。 1.定义：做匀速圆周运动的物体一定受到指向圆心的合外力的作用，这个力称为向心力 2.方向：指向圆心 O F拉 F拉 F拉 V V v O O N F拉 G 新课讲解 O F引 F合＝F引 ＝F向 O mg N f F向 ＝f O mg N F向＝N+ mg 汽车在水平路面上转弯 天体运动 过山车 新课讲解 4.向心力的来源：向心力可能是弹力、重力或摩擦力，也可能是某几个力的合力。 例如，月球绕地球近似做匀速圆周运动需要的向心力由地球对月球的引力提供：随水平圆台一起匀速转动的人或物体需要的向心力由圆台对人或物体的静摩擦力提供(如图所示)。 静摩擦力做为向心力 向心力是按照效果命名的力，并不是物体额外受到的一个力；受力分析时, 不能多出一个向心力。 新课讲解 1.实验目的 探究做圆周运动的物体所需要的向心力 F 与其质量 m、转动半径 r 和转动角速度 ω 之间的关系。 2.实验器材 向心力演示器、小球等。 二、探究影响向心力大小的因素 新课讲解 3.实验原理与设计： 匀速转动手柄，可使塔轮、长槽和短槽匀速转动，槽内的小球也就随之做匀速圆周运动。 挡板对小球的作用力提供了小球做匀速圆周运动的向心力。同时，小球挤压挡板的力使挡板另一端压缩测力套筒的弹簧，压缩量可以从标尺上读出，该读数即显示了向心力的大小。 如何研究向心力与物体质量、转动半径以及角速度之间的关系? 快速转动手柄时，注意扶住实验装置，以免其倾覆，同时要防止小球从槽内甩出。 新课讲解 4.实验步骤 (1) 把两个质量不同的小球分别放在长槽和短槽上，调整塔轮上的皮带和小球位置使两球的转动半径和角速度都相同。转动手柄，观察向心力的大小与质量的关系。 (2) 换两个质量相同的小球，使两球的角速度相同。再增大长槽上小球的转动半径，使两球的转动半径不同。转动手柄，观察向心力的大小与半径的关系。 (3)若要研究向心力的大小与角速度的关系，请按照你设计的实验步骤操作。 新课讲解 5.数据分析 请记录实验现象，分析实验中得到的向心力大小与物体质量、转动半径及角速度的关系。 实验条件 实验现象 实验结论 ω r一定，ma=2mb m ω一定，ra=2rb m r一定，2ωa=ωb Fa=2Fb F∝m Fa=2Fb F∝r 4Fa=Fb F∝ω2 新课讲解 （传动） （轴动） 精确的实验表明，向心力的大小可以表示为： 通过角速度与线速度关系v=wr 通过角速度与周期的关系 新课讲解 三、向心加速度 1.定义：做圆周运动的物体受到向心力的作用，存在一个由向心力产生的加速度，这个加速度称为向心加速度。 2.方向：方向与向心力的方向一致，始终指向圆心。 ①方向必定指向圆心，是变量 ②只改变速度的方向，不改变速度的大小 ③公式也适用于非匀速圆周运动 经典例题 Classic Example 经典例题 1.做匀速圆周运动的物体所受合外力为0 （ ） 2.做匀速圆周运动的物体，向心加速度恒定 （ ） 3.做匀速圆周运动的物体，向心加速度大小恒定，但方向时刻变化，所以是非匀变速运动 （ ） 经典例题 2. 在班级晚会上，有同学做了用杯子搬运乒乓球的游戏。如图所示，他用杯子扣住乒乓球快速摇晃，使球在杯壁内侧转动而不掉下来，成功地把乒乓球移动到了书的另一侧。请分析乒乓球没有掉下来的原因。 乒乓球所受重力与杯子给它的摩擦力平衡。 经典例题 解：乒乓球在杯子里旋转做圆周运动需要向心力，由杯子对乒乓球的弹力提供，弹力使得乒乓球和杯子之间产生挤压，同时由于乒乓球又受到重力，使得乒乓球有了一个向下运动的趋势，这时乒乓球就受到了来自杯壁的向上的摩擦力，当乒乓球速度达到一定值时，杯壁给乒乓球的摩擦力就与乒乓球所受的重力平衡，这样乒乓球就不会掉下来。 经典例题 3. 分析图中物体 A、B、C 的受力情况，并说明这些物体做圆周运动时由哪些力来提供向心力? 经典例题 图(a)中，A物体受到重力，支持力和静摩擦力作用做圆周运动，其中重力和支持力二力平衡，静摩擦力提供向心力； 图(b) 中，B物体受到重力，弹力和静摩擦力作用做圆周运动，其中重力和静摩擦力二力平衡，弹力提供向心力； 经典例题 图(c)中，C物体受到重力和绳的拉力作用做圆周运动，其中重力和拉力的合力提供向心力。 经典例题 CD 4. 关于匀速圆周运动，下列说法正确的是 ( ) A. 匀速圆周运动是匀速运动 B. 匀速圆周运动是匀变速运动 C. 匀速圆周运动是匀速率圆周运动 D. 在任意相等的时间内通过的路程相等 课堂练习 Classroom Practice 课堂练习 1、用细线拴柱一球做匀速圆周运动，下列说法中正确的是（ ） A.在线速度一定情况下，线越长越易断 B.在线速度一定情况下，线越短越易断 C.在角速度一定情况下，线越长越易断 D.在角速度一定情况下，线越短越易断 BC 课堂练习 2．如图所示，水平转台上放着一个纸箱A，当转台匀速转动时，纸箱相对转台静止。关于这种情况下纸箱A的受力情况，下列说法正确的是（　　） A．受重力、台面的支持力、向心力和静摩擦力 B．受重力、台面的支持力和静摩擦力 C．受重力和台面的支持力 D．受重力、台面的支持力和向心力 B 解析：当转台匀速转动时，纸箱相对转台静止，所以纸箱A受重力、台面的支持力和静摩擦力，其中静摩擦力提供纸箱随转台一起做圆周运动的向心力，向心力是效果力，是一种力或几种力的合力，不是某种性质的力 课堂练习 3．甲图是洗衣机脱水桶甩干衣服的情境，乙图是两个圆锥摆，丙图是完全相同的两个小球在内壁光滑的倒圆锥内做匀速圆周运动。关于这三种圆周运动，下列说法正确的是（　　） A．甲图中衣服随脱水桶一起匀速转动的过程中，桶对衣服的摩擦力提供向心力 B．乙图中两小球的线速度大小相等 C．乙图中两小球具有相同的运动周期 D．丙图中球的角速度大于球的角速度 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 5. 如图所示，长为 l 的悬线一端固定在 O 点，另一端系一小球。在 O点正下方 C 点钉一钉子，O、C 间距离为 。把悬线另一端的小球拉到跟悬点同一水平面上无初速度释放，小球运动到悬点正下方时悬线碰到钉子，则小球的 ( ) A. 线速度突然增大为原来的 2倍 B. 角速度突然增大为原来的 2倍 C. 向心加速度突然增大为原来的 2 倍 D. 悬线拉力突然增大为原来的 2倍 BC 感谢观看 THANK YOU 【答案】C 【详解】A．甲图中衣服随脱水桶一起匀速转动的过程中，桶对衣服的支持力提供向心力，故A错误； BC．设做圆锥摆运动的小球质量为m，摆绳与竖直方向的夹角为θ，摆球与悬点的高度差为h，线速度大小为v，周期为T。根据牛顿第二定律有 解得 ； 由上述两式可知乙图中两小球的线速度大小不等，周期相等，故B错误，C正确； D．由题意易知丙图中a、b两球的向心力大小相等，则向心加速度大小相等，即 因为 所以 故D错误。故选C。 4．如图所示，在双人花样滑冰运动中，有时会看到被男运动员拉着的女运动员离开地面在空中做圆锥摆运动的精彩场面，目测质量为m的女运动员做圆锥摆运动时和水平冰面的夹角约为30°，运动员转动的周期T=2s，重力加速度为g，估算该女运动员（　　） A．受到的拉力为 mg B．受到的拉力为2mg C．做圆周运动的半径为 D．做圆周运动的半径为 【答案】BC 【详解】设女运动员受到的拉力为F，分析女运动员受力情况可知Fsin30°=mg；Fcos30°=m r可得F=2mg；r= 故选BC。 $$