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，涵盖火车转弯、汽车过拱形桥与凹形路面、航天器失重及离心运动等核心内容。课堂导入以铁路弯道内外轨高度差异设问，衔接圆周运动基本规律，为实例分析搭建认知支架。 其亮点在于通过实例探究（如火车转弯向心力来源、汽车过桥受力分析）培养运动与相互作用的物理观念，借助轻绳轻杆模型建构深化科学思维。典型例题与对比表格助力知识内化，帮助学生形成物理观念，提升科学探究能力，教师可依托结构化内容高效开展教学。

第六章　圆周运动 第4节 生活中的圆周运动 人教版高中物理必修二 1.知道具体问题中的向心力来源,能解决生活中的圆周运动问题。 2.了解航天器中的失重现象及原因。 3.了解离心运动及物体做离心运动的条件,知道离心运动的应用及危害。 学习目标 课标定位 素养阐释 1.会结合实例分析向心力的来源,掌握解决生活中圆周运动问题的科学方法。 2.通过阅读教材和查阅资料,了解航天器中的失重现象。 3.通过对离心运动的学习,知道物体做离心运动的原因,体会力与运动的物理观念。 课堂导入 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 火车转弯时做圆周运动,具有向心加速度。由于火车的质量很大,所以需要很大的向心力。 一、火车转弯 1.运动特点 (1)如果铁路弯道的内外轨一样高,火车转弯时,外轨对外侧车轮的轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源, 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。 一、火车转弯 内外规高度相同 2.向心力的来源分析 (2)如果在弯道处使外轨略高于内轨,火车以规定的行驶速度转弯时,所需的向心力几乎完全由重力和铁轨对火车的支持力的合力提供,即 其中r为弯道半径,θ为轨道所在平面与水平面的夹角。 一、火车转弯 外轨略高于内轨 2.向心力的来源分析 转弯时的速度 一、火车转弯 如果火车在转弯处的速度大于规定速度，会对哪个轨道有挤压？如果小于呢？ (1)速度过大时： (2)速度过小时： 外侧轨道与车轮之间有侧压力 内侧轨道与车轮之间有侧压力 (θ较小时,tan θ≈sin θ,而sin θ=  ,故 ,其中h是两轨道的高度差,L是两轨道间的距离,且L是一个定值。) 3.规定速度 此时内外轨道对火车均无挤压作用。 一、火车转弯 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。 二、汽车过拱形桥 汽车过拱形桥时的运动也可以看作圆周运动。质量为 m的汽车在拱形桥上以速度v前进，设桥面的圆弧半径为r，我们来分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力。 1.汽车过拱形桥 汽车在竖直方向受到重力和桥的支持力，它们的合力就是使汽车做圆周运动的向心力。故合力为 当汽车通过桥的最高点时，根据牛顿第二定律有 所以 由此解出桥对车的支持力 故汽车对路面的压力大小为 二、汽车过拱形桥 汽车过拱形桥时的运动也可以看作圆周运动。质量为 m的汽车在拱形桥上以速度v前进，设桥面的圆弧半径为r，我们来分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力。 1.汽车过拱形桥 由此可以看出，汽车对桥的压力小于汽车所受的重力， 而且汽车的速度越大，汽车对桥的压力越小。 试分析，当汽车以越来越大的速度通过拱形桥的最高点时，会发生什么现象? 二、汽车过拱形桥 公路在通过小型水库泄洪闸的下游时常常要修建凹形路面，也叫“过水路面”。汽车通过凹形路面的最低点时，车对地面的压力比汽车所受的重力大些还是小些？同学们可以仿照上面的方法自己进行分析。 2.汽车通过凹形路面 故车对地面的压力比汽车所受的重力大些 二、汽车过拱形桥 拱形桥和凹形路面比较 项目 汽车过拱形桥 汽车过凹形路面 受力分析 向心力 = = 对桥（路面）的压力 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 汽车对路面的压力大于汽车的重力,而且汽车速度越大,对路面的压力越大 二、汽车过拱形桥 3.竖直面内圆周运动 （1）.轻绳模型 如图所示,细绳系的小球或在轨道内侧运动的小球,在最高点时的临界状态为只受重力,其特点是在最高点无支撑。 二、汽车过拱形桥 由mg=m,得v=。 在最高点时: (1)v=时,拉力或压力为零。 (2)v>时,物体受向下的拉力或压力。 (3)v<时,物体不能达到最高点。 即绳类的临界速度为v临=。 二、汽车过拱形桥 3.竖直面内圆周运动 （2）.轻杆模型 在细轻杆上固定的小球或在管形轨道内运动的小球,由于杆和管能对小球产生向上的支持力,所以小球能在竖直平面内做圆周运动的条件是在最高点的速度大于或等于零，其特点是在最高点有支撑。 在最高点时: (1)v=0时,小球受向上的支持力FN=mg。 (2)0<v<时,小球受向上的支持力0<FN<mg。 (3)v=时,小球除受重力之外不受其他力。 (4)v>时,小球受向下的拉力或压力,并且随速度的增大而增大。 即杆类的临界速度为v临=0。 二、汽车过拱形桥 项目 轻绳模型 轻杆模型 情景图示 最高点 受力特征 除重力外，物体可能受到向下的弹力 除重力，物体可能受到向下或向上的弹力 受力示意图 二、汽车过拱形桥 竖直面内两种圆周运动对比 二、汽车过拱形桥 竖直面内两种圆周运动对比 可以把地球看作一个巨大的拱形桥桥面的半径就是地球的半径R。地面上有一辆汽车在行驶，所受重力，地面对它的支持力是 。根据上面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小。速度大到一定程度时，地面对车的支持力是 0 。这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？驾驶员躯体各部分之间的压力是多少？他这时可能有什么感觉？ 把 =0代入G－=m可得，此时汽车的速度为v=，当汽车的速度大于这个速度时，就会发生汽车飞出去的现象．驾驶员与座椅之间压力也为0，驾驶员躯体各部分之间的压力也为0，处于失重状态． 上面“思考与讨论”中描述的场景其实已经实现了，不过不是在汽车上，而是在航天器中。我们以绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船为例作些说明。当飞船距地面高度为100～200km时，它的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受到的重力mg。 除了地球引力外，航天员还可能受到飞船座舱对他的支持力FN。引力与支持力的合力为他提供了绕地球做匀速圆周运动所需的向心力，即: mg－=m 三、航天器中的失重现象 也就是 由此可以解出，当 时座舱对航天员的支持力=0， 航天员处于完全失重状态。 三、航天器中的失重现象 v= 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？ 这种说法是错误的，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。 如果地球对航天器的引力突然消失，那么航天器将做什么运动？ 匀速直线运动 三、航天器中的失重现象 做圆周运动的物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动。 四、离心运动 1.定义 2.原因 向心力突然消失或合力不足以提供物体做圆周运动所需的向心力。 离心运动的实质 离心现象的本质是物体惯性的表现。做圆周运动的物体,由于惯性,总是有沿着圆周切线飞出去的趋向,之所以没有飞出去,是因为受到向心力的作用。从某种意义上说,向心力的作用是不断地把物体从圆周运动的切向方向拉回到圆周上来。 四、离心运动 如图所示,物体做圆周运动是离心运动还是近心运动,由实 际提供的向心力Fn与所需向心力 的大小关系决定。 四、离心运动 3.离心运动、近心运动的判断 四、离心运动 (1)若Fn=mω2r即“提供”满足“需要”,物体做圆周运动。 (2)若Fn>mω2r即“提供”大于“需要”,物体做半径变小的近心运动。 (3)若Fn<mω2r即“提供”不足,物体做离心运动。 四、离心运动 4.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。 1.判断下列说法的正误。 (1)铁路的弯道处,内轨高于外轨。(　　) (2)汽车过拱形桥或凹形路面时,向心加速度的方向都是向上的。(　　) (3)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的航天员及所有物体均处于完全失重状态。(　　) (4)航天器中处于完全失重状态的物体所受合力为零。( 　) (5)做离心运动的物体沿半径方向远离圆心。(　　) × × √ × × 思考讨论 【例题1】 有一列质量为100 t的火车,以72 km/h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道,轨道半径为400 m,g取10 m/s2。 (1)试计算铁轨受到的侧压力大小。 (2)若要使火车以此速率通过弯道,且使铁轨受到的侧压力为零,我们可以适当倾斜路基,试计算路基倾斜角度θ的正切值。 答案:(1)1×105 N　(2)0.1 典型例题 【 例题2 】 铁路在弯道处的内外轨道高度是不同的,已知内外轨道平面与水平面的夹角为θ,如图所示,弯道处的圆弧半径为r,若质量为m的火车转弯时速度等于 ,则(　 ) A.内轨对内侧车轮轮缘有挤压 B.外轨对外侧车轮轮缘有挤压 C.这时铁轨对火车的支持力等于 D.这时铁轨对火车的支持力大于 答案:C 典型例题 【例题3】 如图所示,质量m=2.0×104 kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形路面和凸形路面,两路面的圆弧半径均为60 m,已知路面承受的压力不超过3.0×105 N,g取10 m/s2。 (1)汽车允许的最大速率是多少? (2)若以所求速率行驶,汽车对路 面的最小压力是多少? 答案:(1)10 m/s (2)1.0×105 N 典型例题 【例题4】一汽车通过拱形桥顶点时速度为10 m/s,汽车对桥顶的压力为汽车所受重力的 。g取10 m/s2。如果要使汽车在桥顶对桥面没有压力,车速至少为(　　) A.15 m/s B.20 m/s C.25 m/s D.30 m/s 答案:B 典型例题 【例题5】 长l=0.5 m的轻杆,其一端连接 着一个零件A,A的质量m=2 kg。现让A在竖 直平面内绕O点做匀速圆周运动,如图所示。 g取10 m/s2。在A通过最高点时,求下列两种 情况下A对杆的作用力大小。 (1)A的速率为1 m/s。 (2)A的速率为4 m/s。 答案:(1)16 N　(2)44 N 典型例题 生活中的圆周运动 火车转弯 mgtan θ=m v=v0，轮缘不受侧压力 v>v0，外轮缘受侧压力 v<v0，内轮缘受侧压力 汽车过拱形桥 过拱形桥最高点 G-FN=m，失重状态 过凹形路面最低点 FN-G=m，超重状态 航天器中的失重现象 mg=m，重力完全提供向心力 离心运动 所提供向心力与所需向心力比较 应用与防止 课堂总结 项目 轻绳模型 轻杆模型 力学方程 mg＋FN＝m mg±FN＝m 临界特征 FN＝0，即mg＝m，即vmin＝ v＝0时F向＝0，即FN＝mg v＝的意义 物体能否过最高点的临界速度 FN表现为拉力(压力)还是支持力的临界速度 $