6.4 生活中的圆周运动 课件 -2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理课件聚焦“生活中的圆周运动”，系统涵盖火车转弯、汽车转弯、拱形桥、航天器超失重及离心运动等核心内容。以“铁路弯道内外轨高度差异”问题导入，通过对比分析、受力推导构建知识支架，衔接向心力、临界速度等关键概念。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过火车转弯临界速度推导、汽车过桥超失重分析等模型建构，结合生活实例（离心脱水、砂轮限速）培养科学态度。问题链设计层层递进，助力学生深化物理观念，教师可高效开展情境化教学。

第六章 圆周运动 6.4 生活中的圆周运动 人教版(2019)必修 第二册 问题与思考：在铁路弯道处，内、外轨道的高度一样吗？为什么这样设计呢？ 课堂引入 车轮的构造 一、火车转弯 FN F G 外轨对轮缘的弹力F提供向心力F=F向 火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨，还可能使火车侧翻. 如果铁路弯道的内、外轨一样高，火车在转弯时的向心力由什么力提供？会导致怎样的后果？ 内外轨一样高时转弯 θ FN G F合 θ 转弯所需的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。 外轨高于内轨时转弯 O 实际上在铁路的弯道处外轨略高于内轨。试从向心力的来源角度分析为什么要这样设计？ 铁轨对火车的支持力FN重力G的合力指向圆心，为火车转弯提供一部分向心力，从而减轻轮缘与外轨的挤压。 火车转弯所需的向心力的方向是在水平方向上还是在与斜面平行的方向上？ 5 5 O G FN F合 θ θ F合＝mg tanθ 火车转弯时所需的向心力 Fn = m v2 R v＝ gR tanθ 若要轨道对轮缘无挤压，此时火车的速度为多大？ 火车转弯规定临界速度 6 6 深度拓展 思考:(1)如果v行驶>v临界，情况如何? (2)如果v行驶<v临界，情况如何? 质量为m的火车转弯时，做匀速圆周运动的轨道半径为R，轨道宽L，高度差为h，求火车速度多大时对轨道侧向无压力。θ为轨道平面与水平面间的夹角(θ很小的情况下，tan θ≈sin θ)。 N θ r G Fn h L θ 当 v＜ gR tanθ ： 当 v＞ gR tanθ ： G FN θ 轮缘受到外轨向内的弹力，外轨易损坏 G FN θ F F 轮缘受到内轨向外的弹力，内轨易损坏 8 8 若v0为火车不受轨道侧压力的临界速度。 (1)当v=v0时，轮缘　　　侧压力。 (2)当v>v0时，轮缘受到　　　　　的挤压力，　　　易损坏。 (3)当v<v0时，轮缘受到　　　　　的挤压力，　　　易损坏。 不受 外轨向内 外轨 内轨向外 内轨 小结： 　如图所示，在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨。当火车以规定的行驶速度转弯时，内、外轨均不会受到轮缘的挤压，设此时火车的速度大小为v，重力加速度为g，两轨所在平面的倾角为θ，则下列说法不正确的是 A.该弯道的半径r= B.当火车质量改变时，规定的行驶速度大小不变 C.当火车速率大于v时，内轨将受到轮缘的挤压 D.当火车以规定的行驶速度转弯时，向心加速度大小为an=gtan θ 例1 √ O mg FN Ff 汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢? 二、汽车转弯 向心力:汽车侧向所受的静摩擦力。 O mg FN Ff 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: 二、汽车转弯 (1)水平路面转弯 临界速度 (2)外高内低路面转弯，不受径向摩擦力时 向心力：重力和支持力的合力。 不受径向摩擦力临界速度： N Fn mg θ为赛道斜面与水平面的夹角 高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的倾斜度。说说这样设计的原因? 路面有一定的倾斜度，可以由重力和支持力的合力提供部分向心力，避免转弯速度较快时发生侧滑。 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 二、汽车转弯 　(2024·潮州市高一月考)自行车山地越野赛在一段山路转弯时的情景如图所示，转弯时当地面对车的作用力通过车(包括人)的重心时，车将不会倾倒。设自行车和人的总质量M=80 kg，自行车轮胎与路面间的动摩擦因数μ=0.8，径向最大静摩擦力等于滑动摩擦力大小，弯道可看成一段半径r=50 m的圆弧，取g=10 m/s2，空气阻力不计。 (1)自行车以v=10 m/s的速度匀速通过水平弯道，求自行 车受到的径向静摩擦力大小； 例2 (2)若弯道处路面水平，求自行车转弯时不发生侧滑的最大速度vm； (3)若弯道处路面向内侧倾斜，与水平面的夹角为15°,已知sin 15°=0.26，cos 15°=0.97，tan 15°=0.27。要使自行车不受径向摩擦力作用，其速度大小应为多少？(可用根号表示) 思考与讨论 公路上的拱形桥是常见的，为什么拱形桥比凹形桥更普遍呢？ 凹形桥 拱形桥 拱形桥 （凸形桥） 凹形桥 水平桥 三种桥的形状 三、拱形桥 问题1：汽车静止在桥上与通过平桥时，受力怎样？ F压＝FN＝mg mg FN 问题2：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 mg和FN的合力提供汽车做圆周运动的向心力， 由牛顿第二定律得： 由牛顿第三定律得： 问题3：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 mg和FN的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得： 由牛顿第三定律得： 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 问题4：汽车过拱形桥时，运动速度变大，车对拱桥的压力如何变化？ mg FN 临界速度 FN = G G FN G G FN FN 比较三种桥面的受力情况 　(2023·常德市高一期中)质量为3×103 kg的汽车，以36 km/h的速度通过圆弧半径为50 m的凸形桥，则：(g=10 m/s2) (1)汽车到达桥最高点时，求桥所受的压力大小，此时汽车处于超重还是失重？ 例4 (2)如果设计为凹形桥，半径仍为50 m，汽车仍以36 km/h的速度通过，求在最低点时汽车对桥的压力大小，此时汽车处于超重还是失重？ 　　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？…… 思考与讨论 【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。 算一算 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 四、航天器中的超失重问题 【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. 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？ 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？ 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. 　(2023·安庆市高一期中)在“天宫二号”中工作的航天员可以自由悬浮在空中，处于失重状态，下列分析正确的是 A.失重就是航天员不受力的作用 B.失重的原因是航天器离地球太近，从而摆脱了地球引力的束缚 C.失重是航天器独有的现象，在地球上不可能存在失重现象 D.正是由于引力的存在，才使航天员有可能做环绕地球的圆周运动 例3 √ 如果地球的引力突然消失，航天器将做什么样的运动呢？ O F合 = mω2r， F合＜mω2r ， F 合= 0 ， 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 供<需 物体沿切线方向飞出远离圆心 物体做匀速圆周运动 物体做逐渐远离圆心的运动 五、离心运动 (1) 当 F＝mω2r 时，物体做匀速圆周运动； (2) 当 F＝0 时，物体沿切线方向飞出； (3) 当 F＜mω2r 时，物体逐渐远离圆心； (4) 当 F＞mω2r 时，物体逐渐靠近圆心。 理解： （1）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。 （2）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。 规律总结 离心抛掷 离心脱水 离心浇注 离心分离 生活中的离心运动 赛道设计 离心运动的危害与防止 交通限速 O F静 v 当 时，汽车做离心运动 Fmax＜m v2 r 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 为什么转动的砂轮、飞轮等都要限速？ 　 (2023·佛山市高一期中)在短道速滑项目中，运动员绕周长仅111米的短道竞赛。运动员比赛过程中在通过弯道时如果不能很好地控制速度，将发生侧滑而摔离正常比赛路线。图中圆弧虚线Ob代表弯道，即正常运动路线，Oa为运动员在O点时的速度方向(研究时可将运动员看作质点)。下列论述正确的是 A.发生侧滑是因为运动员受到的合力方向背离圆心 B.发生侧滑是因为运动员受到的合力大于所需要的向心力 C.若在O发生侧滑，则滑动的方向在Oa左侧 D.若在O发生侧滑，则滑动的方向在Oa右侧与Ob之间 例5 √ 课堂小结 火车转弯 汽车过桥 失重现象 离心运动 当 v＜ gR tanθ ： 当 v＞ gR tanθ ：轮缘受到外轨向内的弹力 轮缘受到内轨向外的弹力 FN <mg:失重 FN>mg:超重 做离心运动的条件： $