【課件】生活中的圓周運動高一下學期物理人教版（2019）必修第二冊

6.4《生活中的圓周運動》高中物理

/人教版/必修第二冊/第六章1.會分析火車轉彎、汽車過拱形橋等實際運動問題中向心力的

來源，能解決生活中的圓周運動問題。2.了解航天器中的失重現象及原因。3.了解離心運動及物體做離心運動的條件，知道離心運動的應用及危害。課程要求物體做圓周運動時需要什么力？誰來提供？向心力，合力提供向心力的特點？方向：大小：時刻指向圓心物體做勻速圓周運動時，所受合外力有何特點？合外力全部提供向心力，合外力的大小不變，方向始終指向圓心一.知識回顧新課導入提供物體做圓周運動的力做圓周運動的物體所需的力從“供”“需”兩方面研究生活中做圓周運動的物體由物體受力情況決定由物體的運動情況決定=“供需”平衡物體做勻速圓周運動本節(jié)課牛頓第二定律F=ma的應用二.向心力公式深化理解新課導入1.車輪構造一.火車轉彎知識精講

弊端分析：

火車質量太大，靠這種辦法得到向心力，輪緣與外軌間的相互作用力太大，鐵軌和車輪極易受損。如果你是設計師，能否設計一個方案，讓火車既能安全通過彎道，又能減少軌道與輪緣的擠壓？2.火車拐彎向心力的來源由外側軌道對車輪輪緣的擠壓力提供

FFNG知識精講

請同學們仔細觀看視頻知識精講

觀察真實的火車軌道是怎樣的？3.鐵路的彎道——外軌高于內軌知識精講

鐵路的彎道知識精講

θFN在轉彎處外軌略高于內軌火車轉彎所需的向心力的方向是在水平方向上還是在與斜面平行的方向上？GOF合θ知識精講

OGFNF合θθF合＝mgtanθ軌道對輪緣無擠壓此時火車的速度為多大？火車轉彎時所需的向心力Fn=m

v2Rv＝gRtanθ

若火車的速度大于或小于這個值時，軌道對輪緣有擠壓嗎？知識精講

3.2當v＜gRtanθ

：3.1當v＞gRtanθ

：GFNθ輪緣受到外軌向內的彈力GFNθFF輪緣受到內軌向外的彈力若火車的速度大于或小于這個值時，會怎么樣呢？知識精講

GFnNhLθθR此為火車轉彎時的安全速度h、R越大,火車轉彎越安全θ很小時,sinθ=tanθ3.3此時輪緣與鐵軌無彈力作用知識精講

(1)、當火車行駛速率時，Fn=F合，內外軌道都不受擠壓，對兩輪緣都

沒有壓力(3)、當火車行駛速率時，Fn=F合-F側，內軌道受到擠壓對輪緣有側壓力(2)、當火車行駛速率時，Fn=F合+F側，外軌道受到擠壓對輪緣有側壓力在實際生活中，鐵路修好后θ（h、L）、r是確定的，所以火車轉彎的安全速度也為定值F合＝mgtanθ3.4

總結知識精講

西班牙超速列車脫軌事件知識精講

OmgFNf汽車在水平地面上轉彎是什么力提供向心力的呢?二.汽車轉彎討論知識精講

1.汽車在水平地面上轉彎是什么力提供向心力的呢?OmgFNFf知識精講

2.汽車在水平路面上轉彎所需要的向心力來源:汽車側向所受的靜摩擦力。OmgFNFf當汽車轉彎的半徑一定時,汽車的速度v越大,所需的向心力也越大,靜摩擦力也越大,當靜摩擦力為最大靜摩擦力時:知識精講

OmgFNFf由此可見:當汽車轉彎時,存在一個安全通過的最大速度,如果超過了這個速度,汽車將發(fā)生側滑現象。改進措施:(1)增大轉彎半徑(2)增加路面的粗糙程度(3)最重要的一點:司機應該減速慢行!(4)增加路面高度差——外高內低知識精講

3.汽車轉彎時的措施：把轉彎處的道路修成外高內低。（高速路和賽道）GFNF向知識精講

觀察下面兩幅圖片，賽道及告訴公路彎道有什么特點？為什么要這樣設計？路面是傾斜的外高內低知識精講

賽車跑道的設計NFnmg知識精講

將路面傾斜的原因是讓支持力與豎直方向成一角度，這樣支持力的水平分力就可以提供部分向心力，減小靜摩擦力的負擔。討論：如果傾斜路面是光滑的，汽車還能轉彎嗎？如果能，對速度有什么要求？4.結論知識精講

問題：如果傾斜路面是光滑的，汽車還能轉彎嗎？如果能，對速度有什么要求？能，根據上面例題可知，即使沒有摩擦力，只靠重力與支持力的合力充當向心力也可以做圓周運動，此時的速度是個定值,假設路面與水平面夾角為θ，則有問題：如果汽車轉彎速度大于這個值呢？或者小于這個值呢？如果大于這個值，則汽車向上滑，如果小于這個值，則向下滑。

知識精講

5.思考與賽道類似的題型

球沿光滑圓錐內壁在水平面內做勻速圓周運動，如圖。試分析向心力的來源。（圓錐擺模型）NGθ知識精講

6.飛機轉彎:類似于火車轉彎GFFn知識精講

知識精講

三.汽車過橋黃石長江大橋瀘定橋思考：為什么生活中比較常見的是凸形橋而不是凹形橋呢？知識精講

拱形橋（凸形橋）凹形橋水平橋知識精講

1.汽車靜止在橋上與通過平橋時，受力怎樣？F壓＝FN＝mg知識精講

2.汽車過拱形橋時，在最高點時，車對凸橋的壓力又怎樣？mgFNv2Rv2RFN

＝mg－mv2RF壓＝FN

＝mg－m汽車對橋的壓力小于其所受重力，即處于失重FN

＜mgmg－FN＝m4知識精講

v2Rmg＝m當FN

=0

時，汽車脫離橋面，做平拋運動，汽車及其中的物體處于完全失重狀態(tài)。FN＝0

時，汽車的速度為多大？v2RFN

＝mg－m3.汽車過拱形橋時，運動速度變大，車對凸橋的壓力如何變化？mgFN臨界速度知識精講

總結：重力及支持力沿半徑方向的合力提供向心力。若汽車的速度過大，將會離開橋面做斜拋運動。若汽車即將離開橋面時，則有FN=0，故

4.若汽車不在拱形橋的最高點或最低點時，如何分析汽車的運動情況呢？θv2Rmgcosθ－FN＝mv2RFN

＝mgcosθ－mv2RF壓＝FN

＝mgcosθ－mFN

＜mg(失重)v＝gRcosθ

可知：橋面所受的壓力與夾角θ、車速v都有關；故汽車過凸形橋時，汽車對橋的壓力總小于重力。知識精講

賽車為什么會騰空而起？知識精講

5.汽車過凹形橋時，在最低點時，車對凹形橋的壓力又怎樣？FNmgv2RFN

＝mg+

mv2RF壓＝FN

＝mg+

mv2RFN－mg＝m汽車對橋的壓力大于其所受重力，即處于超重若汽車通過凹橋的速度增大，會出現什么情況？FN

＞mg知識精講

F壓＝FN

＜mg失重超重F壓＝FN

＝mgF壓＝FN

＞mg比較三種橋面受力的情況知識精講

凸形橋知識精講

瀘定橋過水路面凹形橋知識精講

6.思考與討論

當以速度v通過最高點、最低點時哪個位置容易脫離地面，哪個位置容易爆胎？GFNGFN知識精講

7.航天器中的失重現象知識精講

思考與討論

地球可以看作一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球的半徑R（約為6400km）。地面上有一輛汽車在行駛，所受重力G＝mg，地面對它的支持力是FN。根據上面的分析，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小。會不會出現這樣的情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力是0？這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少？駕駛員軀體各部分之間的壓力是多少？他這時可能有什么感覺？7.1航天器中的失重現象

對宇航員，重力提供向心力：mg=mv2/r，由此可以得出:此時人對座椅的壓力為零，宇航員處于完全失重狀態(tài)。知識精講

7.2航天器在發(fā)射升空（加速上升）時，航天員處在超重還是失重狀態(tài)？7.3航天器在軌道正常運行（繞地球做勻速圓周運動）時，航天員處在超重還是失重狀態(tài)？超重FNmga?FN－mg＝maFN＞mg知識精講

7.4什么維持近地航天器做圓周運動？萬有引力知識精講

7.5有人把航天器失重的原因說成是它離地球太遠，從而擺脫了地球引力，這種說法對嗎？正是由于地球引力的存在，才使航天器連同其中的人和物體繞地球做圓周運動.如果地球的引力突然消失，航天器將做什么樣的運動呢？知識精講

四、離心運動知識精講

1.離心運動的條件：OF合=mω2r，物體做勻速圓周運動F合＜mω2r，物體做逐漸遠離圓心的運動F

合=0，物體沿切線方向飛出遠離圓心F合>mω2r，物體做靠近圓心的運動所供=所需，做勻速圓周所供>所需，做向心運動所供<所需，做離心運動知識精講

離心拋擲離心脫水離心分離離心甩干2.離心運動的應用知識精講

①甩干雨傘上的水滴②鏈球運動

在田徑比賽中,鏈球項目就是得用離心現象來實現投擲的。鏈球的投擲是通過預擺和旋轉來完成的,運動員手持鏈球鏈條的一端,在鏈球高速旋轉時,突然松手,拉力消失,鏈就沿切線方向飛出去。

在雨天,我們可以通過旋轉雨傘的方法甩干雨傘上的水滴,旋轉時,當轉動快到一定的程度時,水滴和雨傘之間的附著力滿足不了水滴做圓周運動所需的向心力,水滴就會做遠離圓心的運動而被甩出去。知識精講

把濕布塊放在離心干燥器的金屬網籠里,網籠轉得比較慢時,水滴跟物體的附著力F足以提供所需要的向心力,使水滴做圓周運動,當網籠轉的比較快時,附著力

F

不足以提供所需要的向心力,于是水滴做離心運動,穿過網孔,飛到網籠外面。洗衣機的脫水筒也是利用離心運動把濕衣服甩干的。③離心干燥器oF<mω2rFv知識精講

、制作“棉花”糖的原理：

內筒與洗衣機的脫水筒相似，往內筒加入白砂糖，加熱使糖熔化成糖汁，內筒高速旋轉，黏稠的糖汁就做離心運動，從內筒壁的小孔飛散出去，成為絲狀，到達溫度較低的外筒就會迅速冷卻凝固，變得纖細雪白，像一團團棉花。知識精講

⑤“離心澆鑄”技術模具繞一固定軸旋轉，當達到500轉每分時，將融化了的液態(tài)金屬倒入其中，它將以巨大的慣性離心力向模具壁緊壓，同時夾雜在液態(tài)金屬里的氣體和熔渣，由于其密度遠小于液態(tài)的金屬，因此它們將從金屬里被分離出來。按此法澆鑄出的金屬零件密實、均勻、不含氣泡和裂痕，大大提高了使用壽命。

知識精講

當離心機轉得比較慢時，縮口的阻力F足以提供所需的向心力，縮口上方的水銀柱做圓周運動。當離心機轉得相當快時，阻力F不足以提供所需的向心力，水銀柱做離心運動而進入玻璃泡內。

⑥離心沉淀器知識精講

賽道設計3.離心運動的危害與防止交通限速知識精講

OF靜v

在水平公路上行駛的汽車，轉彎時所需的向心力是由車輪與路面的靜摩擦力提供的。如果轉彎時速度過大，所需向心力Fn大于最大靜摩擦力Fmax（Fmax不足以提供向心力），汽車將做離心運動而造成交通事故.因此，在公路彎道處，車輛行駛不允許超過規(guī)定的速度.當時，汽車做離心運動Fmax＜m

v2r離心運動的防止知識精講

高速轉動的砂輪、飛輪等，都不得超過允許的最大轉速。轉速過高時，砂輪、飛輪內部分子間的相互作用力不足以提供所需向心力，離心運動會使它們破裂，釀成事故.OFv為什么轉動的砂輪、飛輪等都要限速？知識精講

摩托車飛車走壁現象請分析受力情況解釋知識精講

6.4生活中的圓周運動一、火車轉彎

1、結構2、向心力

二、汽車過拱橋1、凸面2、凹面三、航天器中的失重現象四、離心運動1、定義2、應用和危害課堂小結鞏固提升一1.如圖所示，當列車以恒定速率v通過一段半徑為r的水平圓弧形彎道時，乘客發(fā)現在車廂頂部懸掛玩具小熊的細線與車廂側壁平行，同時觀察放在桌面上的質量為m的小物塊。已知此彎道路面的傾角為θ，不計空氣阻力，重力加速度為g，則下列判斷正確的是（）A．列車轉彎時的速率v=B．列車的輪緣與軌道均無側向擠壓作用C．小物塊受到指向桌面外側的靜摩擦力D．小物塊受到桌面的支持力的大小為mgtanθ鞏固提升一【答案】B【解析】AB．設玩具小熊的質量為m1，受力如圖所示由牛頓第二定律，有

m1gtanθ=m1a可得加速度

a=gtanθ對列車整體（設其質量為m2），路面的支持力和重力的合力恰好等于m2a，且a=gtanθ=

列車轉彎時的速率為

v=

故A錯誤；B．列車的向心加速度

a=gtanθ由列車的重力與軌道的支持力的合力提供，則列車與軌道均無側向擠壓作用，故B正確；C．小物塊的向心加速度

a=gtanθ由小物塊的重力與桌面的支持力的合力提供，小物塊與桌面間的靜摩擦力為零，故C錯誤；D．小物塊受力如圖所示

受到桌面的支持力的大小為故D錯誤。

故選B。鞏固提升二2．如圖所示，質量為m的物塊，沿著半徑為R的半球形金屬殼內壁滑下，半球形金屬殼豎直固定放置，開口向上，滑到最低點時速度大小為v，若物體與球殼之間的動摩擦因數為，則物體在最低點時，下列說法正確的是（）A．向心力為

B．受到的摩擦力為C．受到的摩擦力為

D．受到的合力方向斜向右上方鞏固提升二答案C【解析】ABC．根據牛頓第二定律可知，在最低點

解得

所以AB錯誤；C正確；D．物體所受摩擦力方向向左，豎直方向的合力方向豎直向上，所以受到的合力方向斜向左上方，則D錯誤；故選C。鞏固提升三3．如圖所示，光滑水平面上，質量為m的小球在拉力F作用下做勻速圓周運動。若小球運動到P點時，拉力F發(fā)生變化，下列關于小球運動情況的說法中正確的是（）A．若拉力突然變大，小球將沿軌跡Pb做離心運動B．若拉力突然變小，小球將沿軌跡Pb做離心運動C．若拉力突然消失，小球將沿軌跡OP做離心運動D．若拉力突然變小，小球將沿軌跡Pc做近心運動鞏固提升三

答案B【解析】光滑水平面上，細繩的拉力提供m所需的向心力A．若拉力突然變大，則小球將沿軌跡Pc做近心運動，不會沿軌跡Pb做離心運動，故A錯誤；BD．若拉力突然變小，則小球將做離心運動，但由于力與速度有一定的夾角，小球將做曲線運動，故B正確，D錯誤；C．若拉力突然消失，則小球將沿著P點處的切線Pa運動，故C錯誤；故選B。鞏固提升四

4．如圖，完全相同的可視為質點的甲、乙兩個金屬小球，在置于水平地面的內壁光滑的碗形容器內，先后沿著不同半徑在水平面內做勻速圓周運動，則（）A．甲運動時所需向心力大，甲運動時碗對地面的壓力會大于乙運動時碗對地面的壓力B．甲運動時所需向心力大，兩種情況下碗對地面的壓力一樣大C．兩種情況下甲、乙所需向心力一樣大，甲運動時碗對地面的壓力小于乙運動時碗對地面的壓力D．兩種情況下甲、乙所需向心力一樣大，兩種情況下碗對地面的壓力一樣大鞏固提升四答案B【解析】金屬小球受重力和支持力作用，兩者的合力提供向心力，由幾何關系可知，向心力為

由圖可知所以甲運動時所需向心力大，碗對球的支持力為

其豎直分力為所以兩種情況下碗對地面的壓力一樣大，都是碗的重力加小球的重力，故ACD錯誤，B正確。故選B。鞏固提升五

5．如圖所示，小木塊a、b和c（可視為質點）放在水平圓盤上，a、b兩個質量均為m，c的質量為m/2。a與轉軸OO′的距離為l，b、c與轉軸OO′的距離為2l且均處于水平圓盤的邊緣，木塊與圓盤的最大靜摩擦力為木塊所受重力的k倍，重力加速度大小為g，若圓盤從靜止開始繞轉軸緩慢地加速轉動，下列說法正確的是（）A．b、c所受的摩擦力始終相等，故同時從水平圓盤上滑落B．當a、b和c均未滑落時，a、c所受摩擦力的大小相等C．b和c均未滑落時線速度一定相等D．b開始滑動時的轉速是

答案

B【解析】A．木塊隨圓盤一起轉動，水平方向只受靜摩擦力，由靜摩擦力提供向心力，木塊沒有滑動時對b有

對c有則木塊沒有滑動時兩木塊的摩擦力