4.生活中的圆周运动（教学课件）物理人教版必修第二册

第六章 圆周运动 人教版（2019）必修 第二册 4.生活中的圆周运动 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 解生活中圆周运动的实例（火车转弯、汽车过拱形桥、航天器失重、离心运动）中向心力的来源及作用效果，明确匀速圆周运动的动力学条件。 科学思维 将实际问题抽象为物理模型（如火车转弯视为匀速圆周运动、拱形桥视为竖直面内圆周运动），忽略次要因素（如空气阻力、轨道摩擦）。 科学探究 结合典例计算（如已知轨道半径和倾角求火车临界速度），验证理论推导的正确性，培养运用数学工具解决物理问题的能力。 科学态度与责任 通过火车脱轨、汽车超速过弯等案例，认识遵守交通规则的重要性，理解物理规律在工程安全设计中的应用。 学习目标 火车转弯 01 汽车过拱形桥 02 航天器中的失重现象 03 教学内容 离心运动 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 火车和汽车转弯问题。 拱形桥和凹形桥问题。 知道离心运动产生原因。 重点难点 西班牙高速行驶的火车转弯时发生脱轨，是什么原因造成火车脱轨呢？ 课堂导入——观察与思考 01 PART 01 第一部分 火车转弯 探究新知 7 铁轨 踏面 轮缘 探究新知——车轮构造 G N . F 火车车轮有突出的轮缘 外轨 内轨 (1)火车转弯时可看做匀速圆周运动，如果火车内外轨道一样高。火车受哪些力？谁充当向心力？ 靠这种办法得到的向心力缺点是什么？ 探究新知——思考与讨论 在铁路弯道处，我们会发现火车车体倾斜，说明内、外轨道的高度略有不同。你能解释为什么也要么设计吗？ 探究新知——思考与讨论 G Fn N θ θ r (2)如果火车外轨道比内轨道高。火车可以不受轨道侧向的弹力F吗？ (3)若不受侧向轨道的弹力，谁充当向心力？是沿哪个方向？ 探究新知——思考与讨论 质量为m的火车转弯时，做匀速圆周运动的轨道半径为r，轨道的倾角为θ，求火车速度多大时对轨道无侧向压力。 解： G Fn N θ θ r 火车转弯规定临界速度: 探究新知——临界速度 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。(图中θ很小） N θ r G Fn h L θ 探究新知——深度拓展 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： 外侧轨道与轮之间有弹力 内侧轨道与轮之间有弹力 G Fn N h L θ θ r 通过以上学习，你是否可以解释转弯处内外轨高度不同和火车脱轨的原因吗？ 探究新知——思考与讨论 【典例1】如图若弯道半径为r，内外铁轨平面与水平面倾角为，当火车以规定的行驶速度v转弯时，轮缘与轨道间恰好无侧向挤压，重力加速度为g，下列说法正确的是（　　） A．轨道对火车的支持力小于火车的重力 B． C．其他条件不变，火车内的乘客增多时，v应增大 D．其他条件不变，火车内的乘客增多时，v应减小 探究新知——典例解析 B 探究新知——典例解析 【答案】B 【详解】AB．以火车为对象，竖直方向有可得水平方向有联立可得，故A错误，B正确； CD．根据，可得可知其他条件不变，火车内的乘客增多时，v保持不变，故CD错误。 故选B。 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，说说这样设计是什么原因？ 探究新知——思考与讨论 (1)水平路面转弯 ①向心力：自行车侧向所受的静摩擦力。 ②临界速度： FN mg Ff 探究新知——原因分析 (2)外高内低路面转弯 ①向心力：重力和支持力的合力。 ②临界速度： N Fn mg θ为赛道斜面与水平面的夹角 探究新知——原因分析 【典例2】场地自行车比赛某段赛道可视为圆形轨道，如图1所示。赛道与水平面的夹角为θ，如图2所示，某运动员骑自行车通过该段赛道可视为做水平面内的匀速圆周运动。在相同的轨道高度上，当车速为时，自行车不受沿斜面方向的侧向摩擦力；当车速为时，自行车受到斜面的侧向摩擦力。已知重力加速度为g，自行车和运动员的总质量为m，且可视为质点。忽略空气阻力。下列说法正确的是（　　） A．车速为时，自行车和运动员受到的支持力大小为 B．车速为时，自行车和运动员的向心力大小为 C．车速为时，自行车受到沿斜面向上的侧向摩擦力 D．保持车速不变，加大匀速圆周运动的轨道半径可以重新让自行车不受侧向摩擦力 探究新知——典例解析 D 【答案】D 【详解】AB．速度为v0时，对人和自行车受力分析，如图所示，自行车所受的支持力向心力Fn=mgtanθ，故AB错误； C．速度为v1时，v1＞v0，速度变大，所需向心力变大，重力和支持力的合力不足以提供向心力，自行车应受到沿赛道向内的摩擦力，故C错误。 D．根据保持车速不变，加大匀速圆周运动的轨道半径可以重新让自行车不受侧向摩擦力，选项D正确。 故选D。 探究新知——典例解析 02 PART 02 第二部分 汽车过拱形桥 探究新知 22 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 探究新知——思考与讨论 解：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： 质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，当汽车通过桥的最低点时，试画出汽车受力分析图，哪些力提供了向心力？桥对汽车的支持力多大？ mg FN a 随着速度的增大，汽车通过桥的最低点时所受的支持力如何变化？ 由牛顿第三定律得： 方向：竖直向下 探究新知——凹形桥 质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，当汽车通过桥的最高点时，试画出汽车受力分析图，哪些力提供了向心力？桥对汽车的支持力多大？ mg FN a 解：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： 方向：竖直向上 探究新知——拱形桥 （3）当FN =0时，v等于多少？ （1）当v=0 时，FN等于多少？ （2）当v增大时，FN 如何变化？ （4）当 时，汽车将做何种运动？ （5）此时人和座位之间是否有压力存在？ mg FN 探究新知——思考与讨论（最高点） 【典例3】今年五一后，某校高一学生在研学实践时骑自行车在甘孜州内一条山路上匀速率行驶，地形如图所示，行驶过程中爆胎可能性最大的地段应是（　　） A．a处 B．b处 C．c处 D．d处 探究新知——典例解析 D 探究新知——典例解析 【答案】D 【详解】AC．在a处或c处，均为坡顶，有则支持力，爆胎可能性均很低，故AC错误； BD．在b处或d处，均为坡底，有则支持力且半径越小，越大，越容易爆胎，而b处比d处半径大，则d处车子所受最大，最容易爆胎，故B错误，D正确。 故选D。 　　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？ 探究新知——思考与讨论 (1)人的向心力： (2)支持力大小： 当 时，座椅对人的支持力为0，人处于完成失重状态。 地球半径为6400km，则要脱离地球的束缚发射卫星或飞船的最小速度为多少？ 探究新知——计算解析 03 PART 03 第三部分 航天器中的失重现象 探究新知 31 探究新知——太空舱中的完全失重状态 (1)航天员在飞船中都受到哪些力的作用？谁提供了绕地球做匀速圆周运动所需的向心力？ (2)根据上面“思考与讨论”，你认为当飞船达到怎样的速度时，座舱对宇航员的支持力为零？ 探究新知——思考与讨论 探究新知——典例解析 D 【典例4】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 探究新知——典例解析 【答案】D 【详解】AD．航天器和航天员在太空中受到的引力提供向心力，使航天器和航天员做环绕地球的圆周运动，故A错误，D正确； B．失重时航天员仍然受到地球引力作用，故B错误； C．失重是普遍现象，任何物体只要有方向向下的加速度，均处于失重状态，故C错误。 故选D。 04 PART 03 第三部分 离心运动 探究新知 36 探究新知——观察与思考 探究新知——观察与思考 (1)做圆周运动的链球，运动员施加的拉力消失后，链球如何运动？ (2)静止在转台上的碟子，转台突然转起后，碟子如何运动？ (3)链球和碟子为什么不继续做圆周运动？你能解释一下这一现象吗？ 探究新知——观察与思考 (1)物体作圆周运动的条件 F = 若“提供”≠“需要”？ “提供”=“需要” 探究新知——离心运动 (2)物体作离心运动的条件： F提供 < F需要 F提供= F需要 F提供 = 0 F提供 ＜F需要 F提供＞F需要 圆周 近心 切线 离心 探究新知——离心运动 探究新知——离心运动的应用 探究新知——离心运动的危害 【典例5】洗衣机是家庭中常用的家用电器。如图所示，常见的洗衣机有滚筒洗衣机（甲图）和波轮洗衣机（如乙图）。两种洗衣机都具有脱水功能。运行脱水程序时，受电机控制，可认为滚筒洗衣机的内筒在竖直平面内匀速转动，波轮洗衣机的脱水桶在水平面内匀速转动。在洗衣机脱水过程中，一段时间内湿衣服紧贴在筒的内壁上，随筒一起转动而未发生滑动。下列说法正确的是（　　） A．两种洗衣机的脱水原理都是水滴受到了离心力的作用 B．波轮洗衣机中的衣服受到重力、筒壁的弹力和摩擦力、向心力的作用 C．波轮洗衣机的脱水桶以更大的角速度转动时，筒壁对衣服的摩擦力会变大 D．滚筒洗衣机中湿衣服中的水滴在衣服随内筒运动到最低点时容易被甩出 探究新知——典例解析 D 探究新知——典例解析 【答案】D 【详解】A．两种洗衣机的脱水原理都是水滴所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力，因此水滴远离圆心，故A错误； B．向心力由其它力合成，不是单独性质的力，故B错误； C．波轮洗衣机的脱水桶以更大的角速度转动时，湿衣服紧贴在筒的内壁上匀速转动，相对静止，水平方向无相对运动趋势，水平方向无摩擦力，竖直方向所受摩擦力等于重力，不会改变，故C错误； D．滚筒洗衣机中湿衣服在内筒运动到最低点时，对水滴而言指向圆心的合力最小，更不容易提供圆周运动所需要的向心力，所以湿衣服中的水滴在衣服随内筒运动到最低点时容易被甩出，故D正确； 故选D。 课堂小结 课堂练习 C 1．在修筑铁路时，为了消除轮缘与铁轨间的挤压，要根据弯道的半径和规定的行驶速度，设计适当的倾斜轨道，即两个轨道存在一定的高度差。火车轨道在某转弯处其轨道平面倾角为θ，转弯半径为r，在该转弯处规定行驶的速度为v，则下列说法正确的是（ ） 课堂练习 【答案】C 【详解】A．火车运动的圆周平面为水平面，即图中的b，故A错误； B．火车以规定速度行驶时，对火车有解得，故B错误； C．适当增大内、外轨高度差，则增大，根据 可知v增大，故适当增大内、外轨高度差可以对火车进行有效安全的提速，故C正确； D．当火车速率大于时，火车有外滑趋势，故外轨将受到轮缘的挤压，故D错误。 故选C。 2．如图所示，一汽艇转弯时仪表盘上显示速度为。已知水面能对汽艇提供的径向阻力最大为重力的0.4倍，重力加速度取，若要使汽艇安全转弯，则最小转弯半径为（　　） A． B． C． D． 课堂练习 A 课堂练习 【答案】A 【详解】设汽艇的质量为，当最大阻力恰好提供向心力时，转弯半径最小，根据牛顿第二定律代入数据，解得 故选A。 3．如图所示，一小汽车以不同的速率通过圆弧形拱桥的最高处P，小汽车未离开桥面。下列说法正确的是（    ） A．小汽车通过P处时处于超重状态 B．小汽车通过P处时处于平衡状态 C．小汽车通过P处时的速度越大，此时小汽车对拱桥的压力越大 D．小汽车通过P处时的速度越大，此时小汽车对拱桥的压力越小 课堂练习 D 课堂练习 【答案】D 【详解】AB．对汽车受力分析可知，汽车在P点具有向下的加速度，故汽车处于失重状态，AB错误； CD．设汽车在P点时受到的支持力未，根据牛顿第二定律可得解得因此，小汽车通过P处时的速度越大，小汽车受到的支持力就越小，根据牛顿第三定律可知，汽车受到的支持力与汽车对桥的压力大小相等，故小汽车通过P处时的速度越大，此时小汽车对拱桥的压力越小，C错误，D正确。 故选D。 课堂练习 D 4．智能呼啦圈可以提供全面的数据记录，让人合理管理自己的身材。如图甲，腰带外侧带有轨道，将带有滑轮的短杆穿入轨道，短杆的另一端悬挂一根带有配重的轻绳，其简化模型如图乙所示。可视为质点的配重随短杆在水平面内做匀速圆周运动，绳子与竖直方向夹角为θ，运动过程中腰带可视为静止，下列说法正确的是（　　） A．转速越大，轻绳弹力越小 B．转速越大，绳子与竖直方向夹角θ越小 C．若增加配重，保持转速不变，则绳子与竖直方向夹角θ将变小 D．若增加配重，保持转速不变，则绳子与竖直方向夹角θ将不变 课堂练习 【答案】D 【详解】AB．根据题意，对配重受力分析，设轻绳弹力为，竖直方向上有水平方向上有转速越大，角速度越大，绳子与竖直方向夹角θ越大，越小，轻绳弹力越大，故AB错误； CD．由上述分析可得若增加配重，保持转速不变，则绳子与竖直方向夹角θ将不变，故C错误，D正确。 故选D。 5．自行车的后轮轮胎侧面上黏附上了一块泥巴。为了把泥巴甩掉，将自行车后轮撑起，使后轮离开地面而悬空，然后用手匀速摇脚踏板，使后轮飞速转动，泥巴就会被甩下来。如图所示，图中a、b、c、d为后轮轮胎边缘上的四个特殊位置，则（　　） A．泥巴在图中的a 位置时最容易被甩下来 B．泥巴在图中的b、d位置时最容易被甩下来 C．泥巴在图中的c 位置时最容易被甩下来 D．泥巴在a、b、c、d四个位置被甩下来的难易程度是一样的 课堂练习 A 课堂练习 【答案】A 【详解】泥巴做匀速圆周运动，由合力提供向心力，根据知，泥巴在车轮上每一个位置的向心力大小相等，当提供的合力小于向心力时做离心运动，所以能提供的合力越小越容易飞出去。最低点，重力向下，附着力向上，合力等于附着力减重力；最高点，重力向下，附着力向下，合力为重力加附着力；在线速度竖直向上或向下时，合力等于附着力，所以在最低点合力最小，最容易飞出去。 故选A。 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.12.100 Codec by Bilibili XCode Worker v4.7.18(fixed_gap:False) Lavf58.20.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.5.7 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.12.100 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $