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6.4生活中的圆周运动
一学科核心素养
(一)物理观念
1、使学生理解建筑工程上关于修铁路、修公路、修桥梁与圆周运动的联系;
2、车转弯时,路的外侧要高于内侧,且对速度有限制;
(二)科学思维
通过向心力在具体问题中的应用,体会圆周运动的奥妙,激发学生学习物理知识的兴趣,培养学生学科学、懂科学、用科学,将物理知识应用于生活和生产实践的意识。
(三)实验探究
提出物理问题,形成猜想和假设,获取和处理信息,基于证据得出结论做出解释,以及对实验探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。
(四)科学态度与责任
通过一些交通事故的解释,发展将物理知识应用于生活和生产实践的意识使学生明白,作为建筑施工工程师的重大责任,严谨科学态度的重要性,使学生建立学习物理的责任感和自豪感。
二学习重难点
【重点】
用牛顿第二定律求解生活中的圆周运动
【难点】
正确认识向心力的来源
三课前预习
1.长L=0.5 m、质量可忽略的轻绳,其一端系于O点,一端连有质量m=2 kg的 小球,现使小球绕O点在竖直平面内做圆周运动。如图所示,求下列情况下轻绳受到的力,g =10 m/s2:
(1)若小球通过最高点A时vA=5 m/s,轻绳受到的拉力为__________N;
(2)若小球通过最低点B时vB=6 m/s,轻绳受到的拉力为__________N;
(3)若小球通过O点的等高点C时vC=4 m/s,轻绳受到的拉力为__________N。
2.质量为m的小球在竖直平面内的光滑圆形轨道的内侧运动,已知圆形轨道半径为R,重力加速度为g。则小球经过轨道最高点而不脱离轨道的最小速度为__________,则当小球以的速度经过最高点时,对轨道压力的大小为____________。
3.如图所示,一质量为m的小方块(可视为质点),系在一伸直的轻绳一端,绳的另一端固定在粗糙水平面上,绳长为r。给小方块一沿垂直轻绳的初速度v0,质点将在该水平面上以绳长为半径做圆周运动,运动一周后,其速率变为,则绳拉力的大小随物体转过的角度___________减小(选填“均匀”、“不均匀”),质点运动一周的时间为___________。
4.摆式列车是集电脑、自动控制等高新技术于一体的新型高速列车,如图所示。当列车转弯时,在电脑控制下,车厢会自动倾斜;行驶在直轨上时,车厢又恢复原状,就像玩具“不倒翁”一样。假设有一摆式列车在水平面内行驶,以100m/s的速度转弯,转弯半径为1000m,则质量为50kg的乘客,则在转弯过程中乘客所受到的向心力为_______________N,火车对他的作用力大小为________________N(g取)。
5.如图所示,用一根结实的轻质细绳,一端拴一个小球。在光滑桌面上抡动细绳,使小球做匀速圆周运动。
(1)仅减小旋转的速度,绳上拉力的大小将___________(填“增大”或“减小”或“不变”);
(2)仅增大小球的质量,绳上拉力的大小将___________(填“增大”或“减小”或“不变”);
(3)松手后,小球在桌面上的运动是___________(填选项代码)。
A. 仍做匀速圆周运动 B. 做匀变速曲线运动
C. 沿半径朝外做匀速直线运动 D. 沿圆周的切线方向做匀速直线运动
6.如图所示,质量为的汽车在水平公路上行驶,当汽车经过半径为40m的弯路时,车速为20m/s。此时汽车转弯所需的向心力大小为_______N。若轮胎与路面间的最大静摩擦力为,请你判断这辆车在这个弯道处会不会发生侧滑_______(填“会”或“不会”)。
7.车胎和水平路面间动摩擦因数μ=0.5,转弯路径近似看成一段圆弧,圆弧半径R=20m。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g=10m/s2。若要安全转弯,车速不能超________m/s。
四自我检测
1.一辆小汽车驶上圆弧半径为40m的拱桥,经过桥顶时恰好对桥没有压力而腾空,则此时的小汽车速度是()( )
A.40m/s B.20m/s C.2m/s D.0
2.铁道转弯处内、外轨间设计有高度差,可以使火车顺利转弯。已知火车转弯时有一个安全速度为v,转弯时半径为R,火车质量为m,则火车转弯时所需向心力为( )
A. B. C.mv2R D.mvR
3.如图所示,质量为1.6kg,半径为0.5m的光滑细圆管用轻杆固定在竖直平面内,小球A和B的直径略小于细圆管的内径。它们的质量分别为mA=1kg、mB=2kg.某时刻,小球A、B分别位于圆管最低点和最高点,且A的速度大小为vA=3m/s,此时杆对圆管的弹力为零。则B球的速度大小vB为(取g=10m/s2)( )
A.2m/s B.4m/s
C.6m/s D.8m/s
4.“太极球”是近年来较流行的一种健身器材。做该项运动时,健身者半马步站立,手持太极球拍,拍上放一橡胶太极球,健身者舞动球拍时,球却不会掉落地上。现将球拍和太极球简化成如图所示的平板和小球,熟练的健身者让球在竖直面内始终不脱离板而做匀速圆周运动,且在运动到图中的A、B、C、D位置时球与板间无相对运动趋势。A为圆周的最高点,C为最低点,B、D与圆心O等高。设在A处时健身者需施加的力为F,当球运动到B、D位置时,板与水平方向需有一定的夹角,球的重力为1N,不计拍的重力,则与F的关系为( )
A. B.
C. D.
5.如图所示为一种叫作“魔盘”的娱乐设施,当转盘转动很慢时,人会随着“魔盘”一起转动,当“魔盘”转动到一定速度时,人会“贴”在“魔盘”竖直壁上,而不会滑下。若魔盘半径为r,人与魔盘竖直壁间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,则人“贴”在“魔盘”竖直壁上随“魔盘”一起运动过程中,下列说法正确的是( )
A.人随“魔盘”转动过程中受重力、弹力、摩擦力和向心力作用
B.若转速变大,则人与竖直壁之间的摩擦力变大
C.若转速变大,则人与竖直壁之间的弹力不变
D.“魔盘”的转速一定不小于
6.如图,一圆盘可绕一通过圆心且垂直于盘面的竖直轴转动,在圆盘上放一块橡皮,橡皮块随圆盘一起转动(俯视为逆时针)。某段时间内圆盘转速不断增大,但橡皮块仍相对圆盘静止,在这段时间内,关于橡皮块所受摩擦力Ff的方向的四种表示(俯视图)中,正确的是( )
A. B. C. D.
7.如图所示,假使物体沿着铅直面上圆弧轨道下滑,轨道是光滑的,在从A.至C的下滑过程中,下面哪种说法是正确的? ( )
A.它的加速度方向永远指向圆心
B.它的速率均匀增加
C.它的合外力大小变化, 方向永远指向圆心
D.它的合外力大小不变
E.轨道支持力大小不断增加
8.如图所示,摩天轮是游乐场里的大型娱乐项目,它的直径可以达到几百米。乘客乘坐时,转轮始终不停地匀速转动,下列说法中正确的是( )
A.在最高点,乘客处于超重状态
B.任一时刻乘客受到的合力都不等于零
C.乘客在乘坐过程中对座椅的压力始终不变
D.乘客在乘坐过程中对座椅的压力始终小于其重力
9.如图所示,小球在竖直放置的光滑圆形管道内做圆周运动,内侧壁半径为R,小球半径为r,重力加速度为g,则下列说法正确的是( )
A.小球在水平线ab以上的管道中运动时,内侧管壁对小球可能有作用力
B.小球通过最高点时的最小速度
C.小球在水平线ab以下的管道中运动时,外侧管壁对小球一定无作用力
D.小球通过最高点时的最小速度
10.如图所示为“铁笼飞车”的特技表演,其抽象出来的理想模型为如图所示的内壁光滑的圆球,其中a、b、c分别表示做圆周运动时的不同轨道,a轨道与b轨道均水平,c轨道竖直,一个质点在球内绕其光滑内壁做圆周运动时,下列有关说法正确的是( )
A.沿a轨道可能做变速圆周运动
B.沿c轨道运动的最小速度为0
C.沿a轨道运动的速度比沿b轨运动的速度大
D.沿a轨道运动的周期比沿b轨运动的周期大
三课前预习
1. 80 164 64
2. mg
3. 均匀
4.
5. 减小 增大 D
6. 会
7.10
四自我检测
参考答案:
1.B
【详解】小汽车在桥顶时
解得
故选B。
2.A
【详解】根据向心力公式可知火车转弯时所需向心力为
Fn=m
故选A。
3.B
【详解】对A球,合外力提供向心力,设环对A的支持力为,由牛顿第二定律有
代入数据解得
由牛顿第三定律可得,A球对环的力向下,为28N,设B球对环的力为,由环的受力平衡可得
解得
符号表示和重力方向相反,由牛顿第三定律可得,环对B球的力为44N,方向竖直向下,对B球由牛顿第二定律有
解得
故选B。
4.A
【详解】在A处时板对小球的作用力为F,小球做匀速圆周运动的向心力为
由于无相对运动趋势,小球在B处不受摩擦力作用,受力分析如图所示
则
故A。
5.D
【详解】A.人随“魔盘”转动过程中受到重力、弹力、摩擦力,向心力由弹力提供,A错误;
B.人在竖直方向上受到重力和摩擦力,二力平衡,则转速变大时,人与竖直壁之间的摩擦力不变,B错误;
C.如果转速变大,由
F=mrω2
知,人与竖直壁之间的弹力变大,C错误;
D.人“贴”在“魔盘”上时,有
mg≤Ffmax
FN=mr(2πn)2
又
Ffmax=μFN
解得转速为
n≥
故“魔盘”的转速一定不小于
D正确。
故选D。
6.C
【详解】因为圆盘转速不断增大,所以橡皮块将随圆盘一起进行加速圆周运动,此时摩擦力Ff既要提供指向圆心的向心力,又要提供与运动方向相同的切向力,所以合力方向应该在轨道内侧且与速度成锐角,故选C。
7.E
【详解】B.受力分析如图
则有
由以上可知
随着夹角的增大,切向加速度逐渐变小,即速率大小变化逐渐变慢,故B错误;
AC.由以上可知,切向加速度不为零,故加速度方向与法向加速度方向不同,即不指向圆心,由牛顿第二定律可知,合外力的方向不指向圆心,故AC错误;
D.由以上可知,加速度
又因为
联立解得
随着夹角的增大,加速度增大,由牛顿第二定律可知,合外力逐渐变大,故D错误;
E.由圆周运动规律
可知
随着和速度的增大,支持力也在增大,故E正确。
故选E。
8.B
【详解】A.在最高点,乘客具有向下的加速度,处于失重状态,选项A错误;
B.乘客做圆周运动,任一时刻受到的合力都不等于零,选项B正确;
C.乘客在乘坐过程中做匀速圆周转动,向心力时刻指向圆心,大小不变,对座椅的压力不可能始终不变,选项C错误;
D.乘客在最低点时,座椅对人的支持力与重力的合力提供向心力,所以支持力大于重力,则乘客在乘坐过程中对座椅的压力大于其重力,故D错误。
故选B。
9.A
【详解】BD.在最高点,由于外管或内管都可以对小球产生弹力作用,当小球的速度等于0时,内管对小球产生弹力,大小为mg,故最小速度为0,故BD错误;
C.小球在水平线ab以下的管道中运动时,由于沿半径方向的合力提供做圆周运动的向心力,所以外侧管壁对小球一定有作用力,而内侧管壁对小球一定无作用力,故C错误;
A.小球在水平线ab以上的管道运动,由于沿半径方向的合力提供做圆周运动的向心力,当速度非常大时,内侧管壁没有作用力,此时外侧管壁有作用力,当速度比较小时,内侧管壁对小球有作用力,故A正确。
故选A。
10.D
【详解】AC.设弹力与竖直方向的夹角为θ,根据牛顿第二定律得
解得
沿a轨道一定做匀速圆周运动,θ越小,v越小,沿a轨道运动的速度比沿b轨道的速度小,AC错误;
B.在最高点,根据牛顿第二定律得
解得
沿c轨道运动,在最高点的最小速度为,B错误;
D.根据牛顿第二定律得
解得
θ越小,周期越大,沿a轨道运动的周期比沿b轨运动的周期大,D正确。
故选D。
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