6.4 生活中的圆周运动（第2课时）

6.4 生活中的圆周运动（第2课时）
〖教材分析〗
本节课是前面所学的知识的综合运用。与生活联系紧密如洗衣机等离心运动，汽车转弯都是常见的，同时也是运用向心力解决实际问题的一节。通过研究圆周运动规律在生活中的具体应用，使学生深入理解圆周运动规律，并且结合日常生活中的某些生活体验，加深物理知识在头脑中的印象。物理与生活相联系，进一步激发学生学习无语了的积极性，让学生获得学习物理的兴趣。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念：树立运动观念，加深学生对“供需”向心力的认识，使其会在实际问题中分析向心力的来源，并进行简单运算。
科学思维：通过对洗衣机，汽车转弯看做匀速圆周运动的实例分析，渗透理论联系实际的观点，提高学生分析和解决问题的能力。
科学探究：通过洗衣机，汽车转物理模型的巩固，探究物体做离心运动的条件。
科学态度与责任：通过向心力在具体问题中的应用，培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识。
〖教学重点与难点〗
重点：分析具体问题中的“供需”向心力的关系，并结合牛顿运动定律求解有关问题。
难点：关于对临界问题的讨论和分析。
〖教学准备〗
多媒体课件
〖教学过程〗
一、新课引入
如果把地球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零？这时驾驶员与座椅之间的压力是少？……
利用拱形桥模型：受力分析如图，圆周的半径近似等于地球半径R。
根据：指向圆心的力-背向圆心的力=向心力
项得，根据上面的式子分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小。
当速度到达时，代入式子计算发现地面对汽车的支持力FN=0。
这时驾驶员与座椅之间的压力是0，驾驶员躯体各部分之间的压力是0，他这时处于完全失重状态。那这个速度我们把地球半径贷带进去算得v=7.9km/s。这是一个非常快的速度，汽车是不可能达到的。
但是在航天器绕地球做匀速圖周运动的时候是可以达到的。我们继续学习生活中的圆周运动。
二、新课教学
（一）航天器中的失重现象
利用拱形桥模型：受力分析如图，圆周的半径近似等于地球半径R。
根据：指向圆心的力-背向圆心的力=向心力
当力FN=0时,航天员处于完全失重状态，得
，
解得：=7.9km/s。此时人对座椅的压力为零。这个速度就是我们发射航天器的速度，也是飞船绕地球运转的最大速度。
（二）离心运动
物体做圆周运动时指向圆心的合外力等于向心力。由于惯性，总有沿着切线方向飞去的倾向。但它没有飞去，这是因为向心力在拉着它，使它与圆心的距离保持不变。
问题1：如果此时指向圆心的合外力突然消失，物体会怎么运动呢？
拉力消失了，但是这个作为物体运动的最大特征的速度还在吧，有速度，又不受力的作用，物体将会做什么运动，根据牛顿第一定律（惯性），物体将保持匀速直线运动，由于速度的方向是切线方向。所以做圆周运动的物体
①一旦向心力突然消失（F=0），物体就沿着切线方向飞去。
问题2：如果合力不足提供向心力的时候会怎么样呢？
拉力减少了，但是速度还是那么大，这个时候那就是球拉手，不是手拉球。这个时候物体虽然不会沿切线飞去，也会逐渐远离圆心。速度极快的汽车在急速转弯时，向外侧滑的现象就是这种运动。即
②在合力不足以提供所需的向心力时，物体虽然不会沿切线飞去，也会逐渐远离圆心。
这里描述的运动叫作离心运动离心运动。
问题3：什么情况下做离心运动呢？
从刚才的例子我们就看出了，当向心力不足提供向心运动需要的向心力时，就会做离心运动。这里就存在一个“供需”关系。我们知道向心力是效果力，提供向心力的可能是是重力、弹力、摩擦力等，以及合力或者分力。那怎么知道这些力，那就需要受力分析。所以受力分析得到这个“供”向心力。物体做圆周运动所需的力，由物体运动情况决定的，那就需要运动分析，如果物体都不运动，那么它不需你提供向心力，但是这几个力也是存在的，做圆周运动需要的向心力大小可能是。所以
受力分析得提供的向心力，运动分析得需要的向心力。
当供需平衡时物体就做圆周运动，如果不平衡那就分类讨论。
①当F合= F需时，物体做匀速圆周运动。
②当F合= 0时，物体沿切线方向飞出远离圆心
③当F合 ＜F需时，物体做逐渐远离圆心的运动
④当F合 ＞F需时，物体做逐渐远离圆心的运动
小结：物体作离心运动的条件：0 ≤F合＜mω2r
离心运动的应用
例如，洗衣机脱水时利用离心运动把附着在物体上的水分甩掉；纺织厂也用这样的方法使棉纱、毛线、纺织品干燥。
对水滴受力分析：提供的向心力是FN。
运动分析：假设滚筒的圆周运动的速度是v，则做圆周运动需要的向心力。
，当FN同样的原理还可以应用在炼钢厂中，把熔化的钢水浇入圆柱形模子，模子沿圆柱的中心轴线高速旋转，钢水由于离心运动趋于周壁，冷却后就形成无缝钢管，水泥管道和水泥电线杆的制造也可以采用这种离心制管技术借助离心机，医务人员可以从血液中分离出血浆和红细胞。
离心运动有时也会带来危害
在水平公路上行驶的汽车。
对小车进行受力分析：提供的向心力是Ff。
运动分析：假设汽车转弯的圆周运动的速度是v，则做圆周运动需要的向心力。
当Ff如果转弯时速度过大，所需向心力F很大，大于最大静摩擦力Fmax时，汽车将做离心运动而造成事故。 因此，在公路弯道出来做成倾斜之外，车辆不允许超过规定的速度。
高速转动的砂轮、飞轮等,都不得超过允许的最大转速。转速过高时，砂轮、飞轮内部分子间的相互作用力不足以提供所需向心力，离心运动会使它们破裂，酿成事故。
课堂练习
例1：如果高速转动飞轮的重心不在转轴上，运行将不稳定，而且轴承会受到很大的作用力，加速磨损。图中飞轮半径r=20cm，00'为转动轴。正常工作时转动轴受到的水平作用力可以认为是0。假想在飞轮的边缘固定一个质量m=0.01 kg的螺丝钉P，当飞轮转速n=1000r/s时，转动轴00'受到多大的力？
解题提示：对物体受力分析和运动分析，分别得到做圆周运动所需的向心力，和提供的向心。
例2：质量为2.0×103kg的汽车在水平公路上行驶，轮胎与路面间的最大静摩擦力为1.4×104N。汽车经过半经为50m的弯路时，如果车速达到72km/h，这辆车会不会发生侧滑
解题提示：对物体受力分析和运动分析，分别得到做圆周运动所需的向心力，和提供的向心。
〖板书设计〗
6.4生活中的圆周运动（第2课时）
航天器中的失重现象
当力FN=0时, 航天员处于完全失重状态（类似于凸形桥，此时汽车将飞离桥面）
二、离心运动
1、做圆周运动的物体，在所受合外力突然消失或不足以提供圆周运动所需向心力时，就做逐渐远离圆心的运动，这种运动就叫离心运动。
①一旦向心力突然消失（F=0），由于惯性物体就沿着切线方向飞去。
②在合力不足以提供所需的向心力时，物体虽然不会沿切线飞去，也会逐渐远离圆心。
物体作离心运动的条件
提供物体做圆周运动的力：由物体受力情况决定，如：重力和支持力的合力（F合）提供向心力。
物体做圆周运动所需的力：由物体运动情况决定或
离心运动的条件分为以下几种情况：
①当F合= F需 时，物体做匀速圆周运动
②当F合 = 0 时，物体沿切线方向飞出远离圆心
③当F合 ＜F需 时，物体做逐渐远离圆心的运动
④当F合 ＞F需时，物体做近心运动
3、离心运动的应用与危害
①洗衣机离心脱水，纺织厂离心干燥，离心制钢管、水泥管、电线杆等。
②离心危害，汽车拐弯要低速，高速转动的砂轮、飞轮等，都不得超过允许的最大转速。
〖教学反思〗
本节课的设计主要在于离心匀动的条件的理解，以及在生活中的运用。圆周运动和生活密切相关，学生容易受到生活中的定势思维的干扰，对向心力分析不足。所以教学中举了许多生活常见的例子。
本节课还有两个地方没有讲解，一个是汽车拐弯做离心运动，与前面的倾斜路面拐弯问题的联系。另一个是绳子或者轻杆系小球在竖直平面内的圆周运动的问题。