+生活中的圓周運(yùn)動(dòng)+課件-2021-2022學(xué)年高一下學(xué)期物理人教版(2019)必修第二冊(cè)

6.4

生活中的圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)1火車(chē)轉(zhuǎn)彎1．火車(chē)車(chē)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)火車(chē)的車(chē)輪上有突出的輪緣，且火車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)有突出輪緣的一邊在兩軌道的內(nèi)側(cè)，如圖所示，這種結(jié)構(gòu)有助于使火車(chē)運(yùn)動(dòng)的軌跡保持穩(wěn)定1火車(chē)轉(zhuǎn)彎2．火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)向心力的來(lái)源分析(1）如果鐵路彎道的內(nèi)外軌一樣高，火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)車(chē)輪的輪緣擠壓外軌，使外軌發(fā)生彈性形變，外軌對(duì)輪緣的彈力提供火車(chē)轉(zhuǎn)彎的向心力，如圖甲所示．但是，火車(chē)質(zhì)量太大，所以需要很大的向心力，靠這種辦法得到向心力，將會(huì)使輪緣與外軌間的相互作用力太大，鐵軌和車(chē)輪極易受損．(2）如果在彎道處使外軌略高于內(nèi)軌（如圖乙所示），火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌對(duì)火車(chē)的支持力F、的方向不再是豎直的，而是斜向彎道的內(nèi)側(cè)，它與重力G的合力指向圓心，為火車(chē)轉(zhuǎn)彎提供一部分向心力，可以減輕輪緣與外軌間的擠壓．◎火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，軌跡在水平面內(nèi)，所受合力沿水平方向，而不是沿軌道斜面方向．火車(chē)行駛的受力分析1火車(chē)轉(zhuǎn)彎FNF向mg火車(chē)轉(zhuǎn)彎的速度分析1火車(chē)轉(zhuǎn)彎火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度與v0、受力的關(guān)系1火車(chē)轉(zhuǎn)彎v>v0v<v01火車(chē)轉(zhuǎn)彎火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度與v0、受力的關(guān)系的應(yīng)用高速公路、賽車(chē)的彎道處設(shè)計(jì)成外高內(nèi)低，使重力和支持力的合力能提供車(chē)：輛轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力，減少由于轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的摩擦力對(duì)車(chē)輪的損壞，目的是在安全許可的范圍內(nèi)提高車(chē)輛的運(yùn)行速度．1.汽車(chē)通過(guò)拱形橋最高點(diǎn)時(shí)的情況2汽車(chē)過(guò)拱形橋汽車(chē)過(guò)拱形橋的最高點(diǎn)時(shí)，圓心在橋面下方，向心加速度豎直向下，汽車(chē)受到橋面的支持力小于自身重力，汽車(chē)處于失重狀態(tài)(1）如圖所示，質(zhì)量為m的汽車(chē)通過(guò)橋面最高點(diǎn)時(shí)速率為v，橋面的圓弧半徑為R.此時(shí)重力mg和支持力Fn的合力提供汽車(chē)在該點(diǎn)的向心力．由牛頓第二定律得F=mg-Fn=m橋面對(duì)汽車(chē)的支持力F

n=

<mg．由牛頓第三定律知，汽車(chē)對(duì)橋面的壓力F

n’=F

n=

<mg，方向豎直向下．(2）由F'=

可知，汽車(chē)的行駛速率越大，汽車(chē)對(duì)橋面的壓力越?。划?dāng)汽車(chē)的速率等于√gR時(shí)，汽車(chē)對(duì)橋面的壓力為零，這是汽車(chē)在橋面上運(yùn)動(dòng)的最大速度，超過(guò)這個(gè)速度，汽車(chē)將飛離橋面．2汽車(chē)過(guò)拱形橋2．汽車(chē)通過(guò)凹形路面最低點(diǎn)時(shí)的情況汽車(chē)通過(guò)凹形路面的最低點(diǎn)時(shí)，圓心在地面上方，向心加速度豎直向上，汽車(chē)受到地面的支持力大于自身重力，汽車(chē)處于超重狀態(tài)．如圖所示，重力mg和支持力F

n的合力提供汽車(chē)在該點(diǎn)的向心力，由牛頓第二定律得F=Fn-mg=

地面對(duì)汽車(chē)的支持力Fn=mg+m

nnn

>mg．由牛頓第三定律知，汽車(chē)對(duì)地面的壓力Fn’=Fn=mg+nnnnnn>mg，方向豎直向下，可見(jiàn)，此位置汽車(chē)對(duì)地面的壓力大于自身重力，且汽車(chē)行駛的速率越大，汽車(chē)對(duì)地面的壓力就越大，這也是汽車(chē)高速過(guò)凹形路面時(shí)容易爆胎的原因．◎汽車(chē)在拱形橋最高點(diǎn)和凹形路面最低點(diǎn)時(shí)，支持力和重力在同一豎直線(xiàn)上，故合力也在此豎直線(xiàn)上，當(dāng)汽車(chē)不在拱形橋的最高點(diǎn)或形路面的最低點(diǎn)時(shí)，不能用此種方法求解．航天器在近地軌道上的運(yùn)動(dòng)3航天器中的失重現(xiàn)象（1）航天器繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，航天器只受地球引力，引力提供了它絲球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，即F引=mv2/R(2）在繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的航天器中的航天員處于完全失重狀態(tài)．(3）對(duì)失重現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)航天器內(nèi)的任何物體都處于完全失重狀態(tài)，但并不是物體擺脫了地球引力，反而是因?yàn)榈厍蛞Φ拇嬖诓攀购教炱鬟B同其中的乘員能環(huán)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)．航天器中失重狀態(tài)下物體的受力及運(yùn)動(dòng)特征3航天器中的失重現(xiàn)象(1）物體仍受重力作用，并不是重力消失，只是重力全部用來(lái)提供向心力．(2）物體對(duì)支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦οВ唧w表現(xiàn)為無(wú)法用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量物體的重力（但可以測(cè)拉力），無(wú)法用天平測(cè)量物體的質(zhì)量．(3）物體的速度不斷變化，物體具有加速度，處于非平衡狀態(tài)．4離心運(yùn)動(dòng)1．概念做周運(yùn)動(dòng)的物體，在合力突然消失時(shí)，物體沿切線(xiàn)方向飛出去或在合力不足以提供所需的向心力時(shí)，物體雖然不會(huì)沿切線(xiàn)飛去，也會(huì)逐漸遠(yuǎn)離圓心，這里描述的運(yùn)動(dòng)叫作離心運(yùn)動(dòng)。2．產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)的原因做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，由于慣性，總有沿著切線(xiàn)方向飛出去的傾向，但是物體沒(méi)有飛出去，是因?yàn)槭艿较蛐牧Φ淖饔迷诤狭ν蝗幌Щ蛘卟蛔阋蕴峁﹫A周運(yùn)動(dòng)所需的向心力的情況下，物體將做離心運(yùn)動(dòng)◎（1）做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在某時(shí)刻合力消失，它就以這一時(shí)刻的線(xiàn)速度沿切線(xiàn)方向飛出去，◎（2）離心運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征是逐漸遠(yuǎn)離圓心，動(dòng)力學(xué)特征是合力突然消失或不足以提供的向心力．◎(3）產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)的原因是合力突然消失或不足以提供所需的向心力，而不是物體又受到了"離心力".◎(4）做離心運(yùn)動(dòng)的物體是做半徑越來(lái)越大的運(yùn)動(dòng)或沿切線(xiàn)方向飛出去的運(yùn)動(dòng)，而不是沿半徑方向飛出去4離心運(yùn)動(dòng)3．合外力與向心力的關(guān)系（如右圖）(1）物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，即"提供"滿(mǎn)足"需要".(2）物體做半徑變小的近心運(yùn)動(dòng)，即"提供"大于"需要".(3）外力不足以使物體穩(wěn)定在圓周軌道上，物體逐漸遠(yuǎn)離圓心做離心運(yùn)動(dòng)，即"需要"大于"提供"(4）則物體沿切線(xiàn)方向飛出，做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)．4．離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用和防止(1）應(yīng)用：離心干燥器、洗衣機(jī)的脫水桶、無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)、離心水泵等