2018-2019學年高中物理 第二章 勻速圓周運動 3 圓周運動的實例分析 4 圓周運動與人類文明(選學)課件 教科版必修2.ppt

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1、3圓周運動的實例分析 4圓周運動與人類文明(選學),第二章,學習目標,1.會分析具體圓周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. 3.列舉實例，了解圓周運動在人類文明進程中的廣泛應用，認識到圓周運動對人類文明發(fā)展的重大影響.,內容索引,,重點探究 啟迪思維 探究重點,達標檢測 檢測評價 達標過關,自主預習 預習新知 夯實基礎,自主預習,一、汽車過拱形橋 1.受力分析(如圖1) 2.向心力：F m . 3.對橋的壓力：N________. 4.結論：汽車對橋的壓力 汽車的重力，而且汽車速度越大，對橋的壓力

2、 .,圖1,mgN,小于,越小,二、“旋轉秋千”圓錐擺 1.物理模型：細線下面懸掛一個鋼球，使鋼球在 做勻速圓周運動，懸線旋轉形成一個圓錐面，這種裝置叫圓錐擺. 2.向心力來源：由重力和懸線拉力的 提供(如圖2). 由F合mgtan m2r，rlsin 得：________ 周期T __________.,圖2,某個水平面內,合力,3.結論：懸線與中心軸的夾角跟“旋轉秋千”的角速度和懸線長有關，與所乘坐人的體重 .在懸線長一定的情況下，角速度越大則懸線與中心軸的夾角也 (小于90). 三、火車轉彎 1.運動特點：火車轉彎時實際是在做 運動，因而具有向心加速度

3、，由于其質量巨大，所以需要很大的 力. 2.向心力來源 (1)若轉彎時內外軌一樣高，則由 對輪緣的彈力提供向心力，這樣鐵軌和車輪極易受損. (2)內外軌有高度差，依據規(guī)定的行駛速度行駛，轉彎時向心力幾乎完全由 和 的合力提供.,無關,越大,圓周,向心,外軌,重力G,支持力N,四、離心運動 1.定義：在做圓周運動時，由于合外力提供的向心力 或 ，以致物體沿圓周運動的 方向飛出或 而去的運動叫做離心運動. 2.離心機械：利用離心運動的機械叫做離心機械.常見的離心機械有____ 、 .,消失,不足,切線,遠離圓心,洗衣,機的脫水筒,離心機,1

4、.判斷下列說法的正誤. (1)汽車行駛經過凸形橋頂部時，對橋面的壓力等于車重.( ) (2)汽車行駛經過凹形橋底部時，對橋面的壓力大于車重.( ) (3)鐵路的彎道處，內軌高于外軌.( ) (4)火車駛過彎道時，火車對軌道一定沒有側向壓力.( ) (5)做離心運動的物體可以沿半徑方向運動.( ),即學即用,,,,答案,,,2.飛機由俯沖轉為拉起的一段軌跡可看成一段圓弧，如圖3所示，飛機做俯沖拉起運動時，在最低點附近做半徑為r180 m的圓周運動，如果飛行員質量m70 kg，飛機經過最低點P時的速度v360 km/h，則這時飛行員對座椅的壓力大小為______________.(g取10 m/s

5、2),答案,解析,4 589 N,圖3,解析飛機經過最低點時，v360 km/h100 m/s.,重點探究,,一、汽車過拱形橋,如圖4甲、乙為汽車在凸形橋、凹形橋上行駛的示意圖，汽車行駛時可以看做圓周運動. (1)如圖甲，汽車行駛到拱形橋的橋頂時： 什么力提供向心力？汽車對橋面的壓力有什么特點？,圖4,導學探究,答案,汽車對橋面的壓力與車速有什么關系？汽車安全通過拱橋頂(不脫離橋面)行駛的最大速度是多大？,答案,(2)如圖乙當汽車行駛到凹形橋的最底端時，什么力提供向心力？汽車對橋面的壓力有什么特點？,答案,1.汽車過拱形橋(如圖5),知識深化,圖5,2.汽車過凹形橋(如圖6),圖6,例1如圖

6、7所示，質量m2.0104 kg的汽車以不變的速率先后駛過凹形橋面和凸形橋面，兩橋面的圓弧半徑均為60 m，如果橋面承受的壓力不超過3.0105 N，則：(g取10 m/s2) (1)汽車允許的最大速率是多少？,答案,圖7,解析,解析對汽車受力分析如圖，汽車駛至凹形橋面的底部時，合力向上，車對橋面壓力最大；汽車駛至凸形橋面的頂部時，合力向下，車對橋面的壓力最小. 汽車在凹形橋的底部時，由牛頓第三定律可知，橋面對汽車的支持力N13.0105 N，根據牛頓第二定律,(2)若以所求速率行駛，汽車對橋面的最小壓力是多少？,答案,解析,答案1.0105 N,解析汽車在凸形橋頂部時，由牛頓第二定律得,

7、由牛頓第三定律得，在凸形橋頂部汽車對橋面的壓力為1.0105 N，此即最小壓力.,,二、“旋轉秋千”,“旋轉秋千”的運動可簡化為圓錐擺模型(如圖8所示)，當小球在水平面內做勻速圓周運動時，回答下列問題： (1)小球受到幾個力的作用？什么力提供小球做圓周運動的 向心力？,圖8,導學探究,答案,答案受重力和繩子的拉力兩個力的作用；繩子的拉力和重力的合力提供小球做圓周運動的向心力.,(2)“旋轉秋千”纜繩與中心軸的夾角與什么有關(設人的質量為m，角速度為，繩長為l)?,答案,答案如圖所示，設纜繩與中心軸的夾角為，勻速圓周運動的半徑為r F合mgtan rlsin 由牛頓第二定律得 F合m2r 以上三

8、式聯立得 由此可以看出，纜繩與中心軸的夾角跟“旋轉秋千”的角速度和繩長有關，而與所乘坐人的體重無關.,如圖9所示： (1)轉動平面：水平面. (2)向心力：F合mgtan . (3)圓周運動的半徑：rlsin . (4)動力學方程：mgtan m2lsin .,知識深化,圖9,(6)特點：懸繩與中心軸的夾角跟角速度和繩長有關，與球的重量無關，在繩長一定的情況下，角速度越大，繩與中心軸的夾角也越大.,例2如圖10所示，已知繩長為L20 cm，水平桿長為L0.1 m，小球質量m0.3 kg，整個裝置可繞豎直軸轉動.g取10 m/s2，要使繩子與豎直方向成45角，則：(小數點后保留兩位) (1)該裝

9、置必須以多大的角速度轉動才行？,答案,解析,答案6.44 rad/s,圖10,解析小球繞豎直軸做圓周運動，其軌道平面在水平面內， 軌道半徑rLLsin 45.對小球受力分析如圖所示，設 繩對小球的拉力為T，小球重力為mg，則繩的拉力與重力 的合力提供小球做圓周運動的向心力. 對小球利用牛頓第二定律可得： mgtan 45m2r rLLsin 45 聯立兩式，將數值代入可得6.44 rad/s,(2)此時繩子的張力為多大？,答案,解析,答案4.24 N.,1.解答有關勻速圓周運動問題的一般方法步驟： (1)確

10、定研究對象、軌跡圓周(含圓心、半徑和軌道平面). (2)受力分析，確定向心力的大小(合成法、正交分解法等). (3)根據向心力公式列方程，必要時列出其他相關方程. (4)統一單位，代入數據計算，求出結果或進行討論.,2.幾種常見的勻速圓周運動實例,,三、火車轉彎,設火車轉彎時的運動為勻速圓周運動. (1)如果鐵路彎道的內外軌一樣高，火車在轉彎時的向心力由什么力提供？會導致怎樣的后果？,導學探究,答案,答案如果鐵路彎道的內外軌一樣高，火車在豎直方向所受重力與支持力平衡，其向心力由外側車輪的輪緣擠壓外軌，使外軌發(fā)生彈性形變，對輪緣產生的彈力來提供(如圖甲)；由于火車的質量太大，輪緣與外軌間的相互作

11、用力太大，會使鐵軌和車輪極易受損.,(2)實際上在鐵路的彎道處外軌略高于內軌，試從向心力的來源分析這樣做有怎樣的優(yōu)點.,答案,答案如果彎道處外軌略高于內軌，火車在轉彎時鐵軌對 火車的支持力N的方向不再是豎直的，而是斜向彎道的內 側，它與重力G的合力指向圓心，為火車轉彎提供一部分 向心力(如圖乙)，從而減輕輪緣與外軌的擠壓.,(3)當軌道平面與水平面之間的夾角為，轉彎半徑為R時，火車行駛速度多大軌道才不受擠壓？,答案,答案火車受力如圖丙所示，則,答案,知識深化,圖11,2.速度與軌道壓力的關系： (1)當火車行駛速度v等于規(guī)定速度v0時，所需向心力僅由重力和彈力的合力提供，此時內外軌道對火車無擠

12、壓作用. (2)當火車行駛速度vv0時，外軌道對輪緣有側壓力. (3)當火車行駛速度v

13、軌對輪緣的彈力提供. 3.當外軌高于內軌時，向心力由火車的重力和鐵軌的支持力以及內、外軌對輪緣的彈力的合力提供；當火車速度以規(guī)定速度行駛時，內、外軌對輪緣的彈力為零.,,四、離心運動,1.做圓周運動的物體向心力突然消失，它會怎樣運動？ 2.如果物體受的合外力不足以提供向心力，它又會怎樣運動？,導學探究,答案,答案將沿切線方向飛出.,答案物體將逐漸遠離圓心運動.,3.要使原來做勻速圓周運動的物體做離心運動，可以怎么辦？舉例說明離心運動在生活中的應用.,答案,答案方法一：提高轉速，使所需的向心力大于能提供的向心力.即讓合外力不足以提供向心力. 方法二：減小或使合外力消失. 應用：利用離心運動制成離

14、心機械設備.例如，離心干燥器、洗衣機的脫水筒和離心轉速計等.,對離心現象的理解 (1)物體做離心運動的原因：提供向心力的外力突然消失，或者外力不能提供足夠的向心力. 注意物體做離心運動并不是物體受到離心力作用，而是由于外力不能提供足夠的向心力.所謂“離心力”實際上并不存在.,知識深化,(2)合外力與向心力的關系(如圖13所示).,圖13,若F合0，則物體做直線運動.,例4如圖14所示是摩托車比賽轉彎時的情形，轉彎處路面常是外高內低，摩托車轉彎有一個最大安全速度，若超過此速度，摩托車將發(fā)生滑動.關于摩托車滑動的問題，下列論述正確的是 A.摩托車一直受到沿半徑方向向外的離心力作用 B.摩托車所受外

15、力的合力小于所需的向心力 C.摩托車將沿其線速度的方向沿直線滑去 D.摩托車將沿其半徑方向沿直線滑去,答案,解析,,圖14,解析摩托車只受重力、地面支持力和地面的摩擦力作用，沒有離心力，A項錯誤； 摩托車正常轉彎時可看成勻速圓周運動，所受的合力等于向心力，如果向外滑動，說明提供的向心力即合力小于需要的向心力，B項正確； 摩托車將在沿線速度方向與半徑向外的方向之間做離心曲線運動，C、D項錯誤.,達標檢測,1.(火車轉彎問題)(多選)全國鐵路大面積提速，給人們的生活帶來便利.火車轉彎可以看成是在水平面內做勻速圓周運動，火車速度提高會使外軌受損.為解決火車高速轉彎時外軌受損這一難題，以下措施可行的是

16、 A.適當減小內外軌的高度差B.適當增加內外軌的高度差 C.適當減小彎道半徑D.適當增大彎道半徑,,答案,解析,1,2,3,4,5,,解析設火車軌道平面的傾角為時，火車轉彎時內、外軌均不受損，根據牛頓第二定律有mgtan m ，解得v ，所以，為解決火車高速轉彎時外軌受損這一難題，可行的措施是適當增大傾角(即適當增加內外軌的高度差)和適當增大彎道半徑r.,2.(汽車過拱形橋)在較大的平直木板上相隔一定距離釘幾個釘子，將三合板彎曲成拱橋形卡入釘子內形成拱形橋，三合板上表面事先鋪上一層牛仔布以增大摩擦，這樣玩具慣性車就可以在橋面上跑起來了.把這套系統放在電子秤上做實驗，如圖15所示，關于實驗

17、中電子秤的示數下列說法正確的是 A.玩具車靜止在拱橋頂端時的示數小一些 B.玩具車運動通過拱橋頂端時的示數大一些 C.玩具車運動通過拱橋頂端時處于超重狀態(tài) D.玩具車運動通過拱橋頂端時速度越大(未離開拱橋)，示數越小,,答案,解析,1,2,3,4,5,圖15,1,2,3,4,5,3.(離心運動)在水平公路上行駛的汽車，當汽車以速度v運動時，車輪與路面間的最大靜摩擦力恰好等于汽車轉彎所需要的向心力，汽車沿如圖16所示的圓形路徑(虛線)運動.如果汽車轉彎速度大于v，則汽車最有可能沿哪條路徑運動？ A. B. C. D.,答案,,圖16,1,2,3,4,5,4.(圓周運動的臨界問題)一圓盤可以繞其豎

18、直軸在水平面內轉動，圓盤半徑為R，甲、乙兩物體質量分別為M和m(Mm)，它們與圓盤之間的最大靜摩擦力均為正壓力的倍，兩物體用一根長為L(L