第3節(jié)　離心現(xiàn)象

離心現(xiàn)象(賦能課—精細(xì)培優(yōu)科學(xué)思維)第三節(jié)課標(biāo)要求層級(jí)達(dá)標(biāo)了解生產(chǎn)生活中的離心現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因。學(xué)考層級(jí)1.會(huì)分析做圓周運(yùn)動(dòng)物體的向心力的來源。2.了解離心現(xiàn)象和物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件。3.能夠用道德和規(guī)范評(píng)價(jià)物理研究和應(yīng)用。選考層級(jí)建構(gòu)車輛轉(zhuǎn)彎模型、汽車過凸凹路面模型，掌握物體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件，理解其動(dòng)力學(xué)本質(zhì)。0102目錄課前預(yù)知教材落實(shí)主干基礎(chǔ)課堂精析重難深度發(fā)掘知能課前預(yù)知教材落實(shí)主干基礎(chǔ)

一、車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力1．汽車轉(zhuǎn)彎問題(1)汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎時(shí)，有向外側(cè)滑的趨勢(shì)，地面會(huì)對(duì)汽車產(chǎn)生指向______的靜摩擦力。內(nèi)側(cè)外2．火車轉(zhuǎn)彎問題(1)彎道通常設(shè)計(jì)成__________。外高內(nèi)低小于大于N′－mg三、生活中的離心運(yùn)動(dòng)1．離心運(yùn)動(dòng)的定義：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在受到的合外力突然____或者不足以提供做圓周運(yùn)動(dòng)________________的情況下，物體將______圓心運(yùn)動(dòng)。2．離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用和防止(1)應(yīng)用：離心分離器、離心干燥器、洗衣機(jī)的________。(2)防止：飛機(jī)翻飛旋轉(zhuǎn)時(shí)，造成人體出現(xiàn)過荷現(xiàn)象，需要訓(xùn)練人體的抗荷能力；汽車在公路轉(zhuǎn)彎處必須_______行車速度。消失所需要的向心力遠(yuǎn)離脫水桶放慢1．火車轉(zhuǎn)彎時(shí)外軌與內(nèi)軌的高度一樣嗎？火車的車輪設(shè)計(jì)有什么特點(diǎn)？[微情境·大道理]提示：火車轉(zhuǎn)彎時(shí)外軌與內(nèi)軌高度不一樣，外軌高、內(nèi)軌低。火車的車輪設(shè)計(jì)有突出的輪緣，車輪的輪緣卡在鐵軌之間。2．某次演習(xí)中，一輛戰(zhàn)車以恒定的速度在起伏不平的路面上行進(jìn)。請(qǐng)對(duì)以下結(jié)論作出判斷：(1)戰(zhàn)車在B點(diǎn)和C點(diǎn)時(shí)，向心加速度方向都是豎直向上的。

()(2)戰(zhàn)車在B點(diǎn)時(shí)對(duì)路面的壓力大于戰(zhàn)車的重力。

()(3)戰(zhàn)車在C點(diǎn)時(shí)對(duì)路面的壓力小于戰(zhàn)車的重力。

()(4)戰(zhàn)車在C點(diǎn)時(shí)對(duì)路面的壓力可能為零。

()(5)戰(zhàn)車在D處路面加速行駛時(shí)，對(duì)路面的壓力大于戰(zhàn)車的重力。

()×√√×√3．如圖所示，是一款滾筒洗衣機(jī)及其滾筒，請(qǐng)思考洗衣機(jī)是如何將衣服甩干的？

提示：當(dāng)滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，衣服緊貼著筒壁隨圓筒高速轉(zhuǎn)動(dòng)，衣服上的水滴的附著力不足以提供隨圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力時(shí)，水滴會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)從圓筒的小孔中被甩出。課堂精析重難深度發(fā)掘知能強(qiáng)化點(diǎn)(一)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力任務(wù)驅(qū)動(dòng)如圖火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)。(1)如果軌道是水平的，火車轉(zhuǎn)彎時(shí)受到哪些力的作用？轉(zhuǎn)彎需要的向心力由什么力來提供？(2)如果火車在水平軌道轉(zhuǎn)彎會(huì)產(chǎn)生哪些危害？如何改進(jìn)？提示：(1)火車受重力、支持力、牽引力、摩擦力和外軌對(duì)火車的彈力作用；外軌對(duì)火車的彈力提供火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力。(2)對(duì)水平的彎道，火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度越大，需要的向心力越大，容易造成對(duì)外軌的損壞，甚至造成火車脫軌；可以把彎道處建成外高內(nèi)低的斜面，由重力和支持力的合力提供向心力。[要點(diǎn)釋解明]2．火車轉(zhuǎn)彎問題(1)火車車輪的特點(diǎn)：火車的車輪有凸出的輪緣，火車在鐵軌上運(yùn)行時(shí)，車輪與鐵軌有水平與豎直兩個(gè)接觸面。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要是避免火車運(yùn)行時(shí)脫軌，如圖所示。(2)圓周平面的特點(diǎn)：彎道處外軌高于內(nèi)軌，但火車在行駛過程中，重心高度不變，即火車的重心軌跡在同一水平面內(nèi)，火車的向心加速度和向心力均沿水平面指向圓心。(3)向心力的來源分析：火車速度合適時(shí)，火車受重力和支持力作用，火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F＝mgtanθ。[典例]某鐵路轉(zhuǎn)彎處的圓弧半徑是300m，鐵軌的軌距是1435mm，火車通過這里的規(guī)定速度是72km/h。(1)求內(nèi)外軌的高度差。(2)保持內(nèi)外軌的這個(gè)高度差，如果列車通過轉(zhuǎn)彎處的速度大于或小于72km/h，分別會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？說明理由。[拓展]對(duì)應(yīng)[典例]中的情境，如果該彎道的內(nèi)外軌一樣高，火車質(zhì)量為100t，仍以規(guī)定速度72km/h通過該彎道，其向心力來源是什么？向心力的大小是多少？會(huì)產(chǎn)生什么后果？答案：外軌對(duì)輪緣的水平向內(nèi)的側(cè)向彈力1.33×105N火車脫軌或翻車事故/方法技巧/火車轉(zhuǎn)彎問題的解題策略(1)對(duì)火車轉(zhuǎn)彎問題一定要搞清合力的方向，指向圓心方向的合外力提供火車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，方向指向水平面內(nèi)的圓心。(2)彎道兩軌在同一水平面上時(shí)，向心力由外軌對(duì)輪緣的擠壓力提供。(3)當(dāng)外軌高于內(nèi)軌時(shí)，向心力由火車的重力和鐵軌的支持力以及內(nèi)、外軌對(duì)輪緣的擠壓力的合力提供，這還與火車的速度大小有關(guān)。

1．(2023·濟(jì)南高一檢測(cè))(多選)公路急轉(zhuǎn)彎處通常是交通事故多發(fā)地帶。如圖，某公路急轉(zhuǎn)彎處是一段圓弧，當(dāng)汽車行駛的速率為v0時(shí)，汽車恰好沒有向公路內(nèi)外兩側(cè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，則在該彎道處(

)A．路面外側(cè)高內(nèi)側(cè)低B．車速只要低于v0，車輛便會(huì)向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)C．車速雖然高于v0，但只要不超出某一最高限度，車輛便不會(huì)向外側(cè)滑動(dòng)D．當(dāng)路面結(jié)冰時(shí)，與未結(jié)冰時(shí)相比，v0的值變小[題點(diǎn)全練清]答案：AC

解析：車輛經(jīng)過急轉(zhuǎn)彎處的運(yùn)動(dòng)可看作圓周運(yùn)動(dòng)，需要指向內(nèi)側(cè)的向心力，當(dāng)汽車以速率v0轉(zhuǎn)彎時(shí)，恰好沒有向公路內(nèi)外兩側(cè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，說明此處公路外側(cè)高，內(nèi)側(cè)低，由重力和支持力的合力提供向心力，A正確；若車速小于v0，汽車有向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，車輪受到向外的摩擦力，只要此摩擦力小于車輪與地面間的最大靜摩擦力，車輛就不會(huì)向內(nèi)側(cè)滑動(dòng)，B錯(cuò)誤；同理，當(dāng)車速高于v0，車輪受到的摩擦力指向內(nèi)側(cè)，只要摩擦力小于最大靜摩擦力，車輛便不會(huì)向外側(cè)滑動(dòng)，C正確；v0是車輪剛好不受地面?zhèn)认蚰Σ亮r(shí)的速度，與路面是否結(jié)冰無關(guān)，D錯(cuò)誤。答案：C

強(qiáng)化點(diǎn)(二)豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)分析[要點(diǎn)釋解明]汽車過凸、凹路面問題比較

汽車過凸形路面汽車過凹形路面受力分析續(xù)表續(xù)表[典例]

(2023·廈門高一檢測(cè))如圖所示是一座半徑為40m的圓弧形拱形橋。一質(zhì)量為1.0×103

kg的汽車，行駛到拱形橋頂端時(shí)，汽車運(yùn)動(dòng)速度為10m/s；則此時(shí)汽車運(yùn)動(dòng)的向心加速度為多大？向心力為多大？汽車對(duì)橋面的壓力為多大？(g取10m/s2)在橋的最高點(diǎn)，汽車的向心力由重力和橋的支持力提供，如圖所示，根據(jù)牛頓第二定律F＝mg－N＝ma，則N＝m(g－a)＝1.0×103×(10－2.5)N＝7.5×103N，根據(jù)牛頓第三定律，汽車對(duì)橋面的壓力N′＝N＝7.5×103N。[答案]

2.5m/s2

2.5×103N

7.5×103N/方法技巧/分析豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的方法(1)注意題目中的條件；(2)對(duì)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體過最高點(diǎn)或最低點(diǎn)時(shí)向心力的來源進(jìn)行分析；(3)受力方向不確定的情況下可用假設(shè)法，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論，列式時(shí)要注意向心力一定指向圓心。

[題點(diǎn)全練清]答案：B

2．(2023·福清高一月考)(多選)胎壓監(jiān)測(cè)器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車輪胎內(nèi)部的氣壓，在汽車上安裝胎壓監(jiān)測(cè)報(bào)警器，可以預(yù)防因汽車輪胎胎壓異常而引發(fā)的事故。一輛裝有胎壓報(bào)警器的載重汽車在高低不平的路面上行駛，其中一段路面如圖所示，圖中虛線是水平線。下列說法正確的是(

)A．若汽車速率不變，經(jīng)過圖中A處最容易超壓報(bào)警B．若汽車速率不變，經(jīng)過圖中B處最容易超壓報(bào)警C．若要盡量使胎壓報(bào)警器不超壓報(bào)警，應(yīng)增大汽車的速度D．若要盡量使胎壓報(bào)警器不超壓報(bào)警，應(yīng)減小汽車的速度答案：AD

強(qiáng)化點(diǎn)(三)生活中的離心運(yùn)動(dòng)任務(wù)驅(qū)動(dòng)水銀體溫計(jì)是我們生活中常用的體溫測(cè)量工具，它的操作簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確。那你知道水銀體溫計(jì)使用之前為什么要甩一下嗎？提示：在體溫計(jì)的玻璃泡上方有一段很細(xì)的縮口，水銀收縮時(shí)，水銀從縮口處斷開，管內(nèi)水銀面不能下降，指示的仍然是上次測(cè)量的溫度。因此使用之前需要使勁甩一下，讓管內(nèi)水銀做離心運(yùn)動(dòng)，退回到玻璃泡中。1．對(duì)離心運(yùn)動(dòng)的理解(1)離心運(yùn)動(dòng)并非沿半徑飛出的運(yùn)動(dòng)，而是運(yùn)動(dòng)半徑越來越大的運(yùn)動(dòng)或沿切線方向飛出的運(yùn)動(dòng)。(2)離心運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是物體慣性的表現(xiàn)，并不是受到了“離心力”的作用。[要點(diǎn)釋解明]2．四種運(yùn)動(dòng)情況的判斷如圖所示，根據(jù)物體所受合外力與所需向心力的關(guān)系，可做如下判斷：1．(多選)在人們經(jīng)常見到的以下現(xiàn)象中，屬于離心現(xiàn)象的是(

)A．舞蹈演員在表演旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，裙子會(huì)張開B．在雨中轉(zhuǎn)動(dòng)一下傘柄，傘面上的雨水會(huì)很快地沿傘面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)邊緣后雨水將沿切線方向飛出C．滿載黃沙或石子的卡車，在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，部分黃沙或石子會(huì)被甩出D．守門員把足球踢出后，足球在空中沿著弧線運(yùn)動(dòng)[題點(diǎn)全練清]答案：ABC

解析：裙子張開屬于離心現(xiàn)象，故A正確；傘面上的雨水受到的力由于不夠提供向心力導(dǎo)致水滴做離心運(yùn)動(dòng)，故B項(xiàng)正確；黃沙或石子也是因?yàn)槭艿降牧Σ粔蛱峁┫蛐牧Χ鲭x心運(yùn)動(dòng)，故C項(xiàng)正確；守門員踢出足球，足球在空中沿著弧線運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樽闱蛟诹Φ淖饔孟伦銮€運(yùn)動(dòng)，不是離心現(xiàn)象，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。2．如圖所示，光滑的水平面上，小球m在拉力F作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，若小球到達(dá)P點(diǎn)時(shí)F突然發(fā)生變化，下列關(guān)于小球運(yùn)動(dòng)的說法正確的是(

)A．F突然消失，小球?qū)⒀剀壽EPa做離心運(yùn)動(dòng)B．F突然變小，小球可能沿軌跡Pa做離心運(yùn)動(dòng)C．F突然變大，小球可能沿軌跡Pb做離心運(yùn)動(dòng)D．F突然變小，小球可能沿軌跡Pc做近心運(yùn)動(dòng)答案：A

解析：若F突然消失，小球所受合力突變?yōu)榱?，將沿切線方向勻速飛出，A正確；若F突然變小，不足以提供所需向心力，小球?qū)⒆鲋饾u遠(yuǎn)離圓心的離心運(yùn)動(dòng)，B、D錯(cuò)誤；若F突然變大，超過了所需向心力，小球?qū)⒆鼋倪\(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)誤。3.北京冬奧會(huì)上，中國(guó)選手高亭宇在國(guó)家速滑館“冰絲