3.3 离心现象 课件-2024-2025学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第二册

第三节 离心现象 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.知道离心现象的产生及离心运动的应用，会分析水平和竖直面内的匀速圆周运 动问题。 2.能分析小球通过竖直圆环最高点和最高点时的向心力，知道小球能通过最高点 的条件。 3.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。 4.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。 素养目标 新课导入 这些车辆在转弯时做什么运动？受力情况如何？ 为什么在拐弯处容易发生事故？应该如何避免这种事件的发生？ 新课讲解 New lesson explanation 新课讲解 一、车辆转弯时所需的向心力 汽车在水平地面上转弯时是什么力提供向心力的呢? O mg FN Ff 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。 新课讲解 这时在指向圆心的方向上存在静摩擦力 f 的作用，该力提供了汽车转弯所需的向心力根据向心力公式，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。 O mg FN Ff 合力为摩擦Ff FN=mg 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，汽车做圆周运动。 供＝需 匀速圆周运动 供<需 侧滑 当所需要的向心力大于所提供的向心力（即最大静摩擦力）时，汽车将发生侧滑现象。 新课讲解 为了给汽车、火车提供转弯时所需的向心力，高速公路、铁路的弯道通常都设计成外高内低。这样，汽车、火车转弯时，可依靠重力与支持力的合力获得向心力。 例如，按限定速度转弯的火车，受到重力和支持力的作用，此时重力和支持力的合力 F 不为 0，而是指向弯道的圆心合力 F 就提供了火车转弯时做圆周运动的向心力。 赛道和高速公路转弯处也是外高内低， 并且超车道比主车道更加倾斜。 新课讲解 火车在水平面转弯，是在做圆周运动，什么力提供向心力？ mg F支 N O 合力为轨道支持力N 摩擦力提供火车的向心力 这种方式转弯有什么影响？ 会对轨道产生较大压力 火车车轮上有突出的轮缘，以保证车轮能行驶在铁轨上。对于半径、倾角都确定的某个弯道而言，如果车速合适，重力与支持力的合力恰好提供火车转弯时所需的向心力。但如果车速过快，这个合力不足以提供所需的向心力，外侧车轮轮缘就会与外轨发生挤压，以补充缺少的向心力，这样会损坏外轨，甚至造成脱轨。因此，火车转弯时都要限速。 新课讲解 G 外轨 内轨 FN F 外轨对轮缘的弹力 O 火车水平转弯时情况分析：由外侧轨道对车轮轮缘的挤压力F 提供向心力Fn 思考：靠这种办法得到的向心力缺点是什么？如何解决这一实际问题？ (1)内外轨道一样高时转弯 新课讲解 在转弯处外轨略高于内轨 θ G O F合 θ 轨道对轮缘无挤压，此时火车的速度为多大？ θ 很小时，sinθ ≈ tanθ 若火车的速度大于或小于这个值时，轨道对轮缘有挤压吗？ (2) 外轨高内轨低时转弯 新课讲解 G FN θ 轮缘受到外轨向内的弹力 G FN θ F F 轮缘受到内轨向外的弹力 ②当 v < ： ①当 v < ： 新课讲解 二、竖直面内的圆周运动分析 生活中为什么我们经常见到凸桥，很少见到凹桥，相比之下凸桥有哪些优点呢？ 发洪水的时候，凸桥在相同的时间内可以流过更多的水，利于泄洪。 更加坚固、美观…… 黄石长江大桥 泸定桥 汽车在经过凸形路面和凹形路面时都不宜高速行驶，这是为什么呢? 新课讲解 凹凸桥 (1) 用两根铁丝弯成如图 所示的凹凸桥。 首先，把一个小球放在凹桥底部 A 处，调节两轨间的距离，使球刚好不掉下去，但稍加一点儿压力，球就会撑开两轨下落。然后，让球从斜轨滚下。当球经过凹桥底部 A 处时，你观察到了什么? (2) 把凹桥下面的搭钩扣上，并调整凸桥顶端 B 处两轨间的距离，使小球在 B 处放置时，刚好能在此处撑开两轨下落。然后，让小球从斜轨滚下。当球经过凸桥顶端 B 处时，你又观察到了什么? 新课讲解 通过实验会发现，小球运动到凹桥底部时从两轨间掉了下去，这说明运动的小球对凹桥底部的压力大于静止时的压力；小球运动到凸桥顶端时没有落下，而是从桥面掠过，这说明运动的小球对凸桥顶端的压力小于静止时的压力。 如图 3－22 所示，汽车驶过凸形路面的顶端时，所受的重力和支持力同在竖直方向，此时汽车行驶所需的向心力就由这两个力的合力提供。 新课讲解 由向心力公式 G－N＝m可知，N＜G。 根据牛顿第三定律，汽车行驶到凸形路面顶端时对路面的压力小于汽车受到的重力，此时汽车处于失重状态而不易被控制，并且速度越大越易失控。 因此，汽车在经过凸形路面时不宜高速行驶。 如图 3－23 所示，汽车行驶到形路面底部时，汽车对路面的压力将大于重力，容易出现超重现象而引发爆胎。因此，汽车在经过凹形路面时也不宜高速行驶。 新课讲解 在游乐场里，惊险又有趣的项目之一就是坐过山车。如图 所示的过山车轨道是由很高的滑轨和环形轨道构成的。过山车高速驶过环形轨道顶端时，人们不会有从轨道上掉下来的感觉。 思考：过山车为什么过最高点时不会掉下来？ 新课讲解 实验室的“过山车” 用两根铁丝弯成如图所示的形状将小球从斜轨的某一高度释放，然后逐步改变小球的释放点，看小球能否越过环形轨道的顶端，并继续沿轨道运行而不掉落。 如图 所示，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。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。 可以看出，小球能通过最高点的条件是在最高点的速度大小 v≥。 新课讲解 轻绳、单轨模型 在最高点向心力全部由重力提供时，达到最小速度。 通过最高点的最小速度？ F向＝mg＝m v＝ 无支撑物 新课讲解 轻杆、圆管模型 通过最高点的最小速度？ 有支撑物 由于有支持力的作用，通过最高点的最小速度可为0。 F合＝F向＝m 新课讲解 三、生活中的离心运动 向心力的“供求”关系——所需向心力与提供向心力； 思考：如果所需向心力与提供向心力大小不相等时物体将如何运动？ F合 = mω2r， O 物体做匀速圆周运动 供=需 新课讲解 O F合 = mω2r，物体做匀速圆周运动 F合＜mω2r ，物体做逐渐远离圆心的运动 F 合= 0 ，物体沿切线方向飞出远离圆心 1、定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力时，做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动。 2、条件： 0 ≤ F合＜mω2r 新课讲解 离心抛掷 离心脱水 离心分离 离心甩干 3、离心现象的应用： 新课讲解 4、离心运动的防止 O F静 v 当 时，汽车做离心运动 在水平公路上行驶的汽车，转弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的。如果转弯时速度过大，所需向心力大于最大静摩擦力（不足以提供向心力），汽车将做离心运动而造成交通事故.因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度. 新课讲解 高速转动的砂轮、飞轮等，都不得超过允许的最大转速。转速过高时，砂轮、飞轮内部分子间的相互作用力不足以提供所需向心力，离心运动会使它们破裂，酿成事故. O F v 经典例题 Classic Example 经典例题 1. 如图所示，用绳子拴着小球转动。如果使小球越转越快，必须用越来越大的力拉住绳子，同时绳子也越来越接近水平。分析一下，绳子可能被拉至水平吗? 对小球受力分析可知，小球受重力和拉力作用，当小球做匀速周运动时，合力指向圆心，所以竖直方向合力为零，拉力的竖直分量和重力相平衡，因此绳子不可能被拉至水平。 经典例题 2. 铁路的弯道通常都设计成外高内低。若某转弯处的限定速度为 ，当火车以该限定速度通过时，请分析此时火车所需向心力的来源。若火车的实际速度低于限定速度，对铁轨有何影响? 火车以限定的速度v转弯时，内外轨道均不受侧压力的作用，由其所受的重力和支持力的合力提供向心力。当转弯的实际速度小于限定速度时，火车所受的重力和支持力的合力大于所需要的向心力，内轨将受到侧压力作用。 经典例题 3. 如图所示，质量相等的甲、乙两物体放在旋转的圆台上，甲物体到转轴的距离是乙物体到转轴距离的两倍，甲、乙与圆台间的最大静摩擦力相等。当圆台旋转时，甲、乙均未滑动。请分析当圆台的转速逐渐增大时哪个物体先滑动，并说明理由。 解：当最大静摩擦力提供向心力时，为物体恰好不相对滑动的临界条件，f＝mω2r，可得临界角速度 ω＝，甲、乙与圆台间的最大静摩擦力相等，质量也相等，甲的运动半径更大，则临界角速度更小，所以甲先滑动。 课堂练习 Classroom Practice 课堂练习 1.一辆卡车在丘陵地匀速行驶，地形如图所示，由于轮胎太旧，途中爆胎，爆胎可能性最大的地段应是( ) A. a处  B. b处   C. c处    D. d处 a b c d D 课堂练习 2.如图所示，汽车以一定的速度经过一个圆弧形桥面的顶点时，关于汽车的受力及汽车对桥面的压力情况，以下说法正确的是 ( ) A.在竖直方向汽车受到三个力：重力、桥面的支持力和向心力 B.在竖直方向汽车只受两个力：重力和桥面的支持力 C.汽车对桥面的压力小于汽车的重力 D．汽车对桥面的压力大于汽车的重力 BC 课堂练习 3.杂技演员表演“水流星”，在长为1.6 m的细绳的一端，系一个与水的总质量为m＝0.5 kg的盛水容器，以绳的另一端为圆心，在竖直平面内做圆周运动，如图所示，若“水流星”通过最高点时的速率为4 m/s，则下列说法正确的是（g＝10 m/s2）（ 　　） A．“水流星”通过最高点时，有水从容器中流出 B．“水流星”通过最高点时，绳的张力及容器底部受到的压力均为零 C．“水流星”通过最高点时，处于完全失重状态，不受力的作用 D．“水流星”通过最高点时，绳子的拉力大小为5 N B 课堂练习 4.长为l的轻绳，其一端固定于 O 点，另一端连有质量为 m 的小球，该小球绕 O点在竖直平面内做圆周运动，g 为重力加速度。求： (1) 小球刚好到达最高点时的速度； 解：小球刚好到达最高点时，重力提供向心力根据牛顿第二定律 mg＝m， 解得 v0＝ ，速度方向沿水平方向； (2) 小球到达最高点速度为 2 时轻绳受到的拉力。 课堂练习 解：小球在最高点的速度v＝2＞，小球所受重力和绳子拉力的合力提供向心力， 根据牛顿第二定律 mg＋F＝mv2l， 代入数据解得 F＝3mg， 根据牛顿第三定律，轻绳受到的拉力大小 F′＝ 3mg，方向竖直向上。 感谢观看 THANK YOU $$