物理人教版（2019）必修第二册6.4 生活中的圆周运动（共53张ppt）

(共53张PPT)
第
节
4
生活中的圆周运动
高中物理 必修第二册
第六章
提供物体做
圆周运动的力
物体做圆周运动所需的力
物体作圆周运动的条件
从“供” “需”两方面研究生活中做圆周运动的物体
由物体受力情况决定
由物体的运动情况决定
F
=
“供需”平衡 物体做圆周运动
本节课
牛顿第二定律F=ma的应用
知识回顾
提供量
需求量
一、火车转弯
火车为什么会发生脱轨事故呢？
一、火车转弯
火车转弯是什么力提供向心力？
铁轨
踏面
轮缘
1.车轮构造：
一、火车转弯
G
N
.
F
火车车轮有突出的轮缘
外轨
内轨
问题1：火车转弯时可看做匀速圆周运动，如果火车内外轨道一样高。火车受哪些力？谁充当向心力？
靠这种办法得到的向心力缺点是什么？
2.原因分析：
由于该弹力是由轮缘和外轨的挤压产生的,且由于火车质量很大,故轮缘和外轨间的相互作用力很大,易损坏铁轨.
一、火车转弯
问题2：如何设计可以克服上述缺点？
问题3：若不受侧向轨道的弹力，谁充当向心力
一、火车转弯
质量为m的火车转弯时，做匀速圆周运动的轨道半径为r,轨道的倾角为θ，求火车速度多大时对轨道无侧向压力。
火车转弯规定临界速度:
G
Fn
N
θ
θ
r
一、火车转弯
高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的斜度。说说这样设计的原因？
路面是倾斜的
外高内低
　一段铁路转弯处，内外轨高度差为h＝10 cm，弯道半径为r＝625 m，轨距l＝1 435 mm，求这段弯道的设计速度v0是多大。讨论当火车速度大于或小于v0时内外轨所受的侧压力(g取10 m/s2)。
一、火车转弯
[答案]　75 km/h　讨论见解析
一、火车转弯
如果火车在转弯处的速度大于规定速度，会对哪个轨道有挤压？如果小于呢？
1.速度过大时：
2.速度过小时：
外侧轨道与轮之间有弹力
内侧轨道与轮之间有弹力
G
Fn
N
h
L
θ
θ
r
知识总结
C
2.(多选)公路急转弯处通常是交通事故多发地带。如图所示，某公路急转弯处是一圆弧，当汽车行驶的速率为v0时，汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势，则在该弯道处(　　)
A．路面外侧高、内侧低
B．车速只要低于v0，车辆便会向内侧滑动
C．车速虽然高于v0，但只要不超出某一最高限度，车辆便不会向外侧滑动
D．当路面结冰时，与未结冰时相比，v0的值变小
AC
赛车为什么会腾空而起？
二、汽车过拱形桥
二、汽车过拱形桥
为何这三种路面容易爆胎
波浪形公路
带横向水沟的公路
二、汽车过拱形桥
二、汽车过拱形桥
拱形桥
（凸形桥）
凹形桥
水平桥
二、汽车过拱形桥
问题1：汽车静止在桥上与通过平桥时，受力怎样？
F压＝FN＝mg
二、汽车过拱形桥
问题2：汽车过拱形桥时，在最高点时，车对凸桥的压力又怎样？
mg
FN
v2
R
mg－FN＝m
v2
R
FN ＝mg－m
v2
R
F压＝FN ＝mg－m
汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于失重
FN ＜mg
二、汽车过拱形桥
v2
R
mg＝m
当 FN = 0 时，汽车脱离桥面，做平抛运动，汽车及其中的物体处于完全失重状态。
FN＝0 时，汽车的速度为多大？
v2
R
FN ＝mg－m
问题3：汽车过拱形桥时，运动速度变大，车对凸桥的压力如何变化？
mg
FN
临界速度
二、汽车过拱形桥
问题4：汽车过凹形桥时，在最低点时，车对凹形桥的压力又怎样？
FN
mg
v2
R
FN ＝mg + m
v2
R
F压＝FN ＝mg + m
v2
R
FN－mg＝m
汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重
若汽车通过凹桥的速度增大，会出现什么情况？
FN ＞mg
二、汽车过拱形桥
汽车对桥面的压力 超重失重状态
最高点
最低点
小结：
失重
超重
　如图所示，质量m＝2.0×104 kg的汽车以不变的速率先后驶过凹形桥面和凸形桥面，两桥面的圆弧半径均为20 m。如果桥面承受的压力不得超过3.0×105 N，则：
(1)汽车允许的最大速率是多少？
(2)若以所求速度行驶，汽车对桥面的最小压力是多少？(g取10 m/s2)
二、汽车过拱形桥
[答案]　(1)10 m/s　(2)1.0×105 N
二、汽车过拱形桥
B
二、汽车过拱形桥
4．公路在通过小型水库的泄洪闸的下游时常常要修建凹形路面，也叫“过水路面”。如图所示，汽车通过凹形路面的最低点时(　　)
A．车对路面的压力等于汽车的重力
B．车对路面的压力小于路面对汽车的支持力
C．汽车所需的向心力就是地面对车的支持力
D．为了防止爆胎，车应低速驶过
D
二、汽车过拱形桥
二、汽车过拱形桥
三、航天器中的失重现象
地球可以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多少？……
地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半径R= 6400km，若汽车不断加速，则地面对它的支持力就会变小，汽车速度多大时，支持力会变成零FN=0？
由
得
此时司机处于完全失重状态。
三、航天器中的失重现象
问题2、航天器在轨道正常运行（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？
FN
mg
a

FN－mg ＝ma
FN＞mg
问题1、航天器在发射升空（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？
四、离心运动
问题1.分析下面视频中运动产生的原因（条件）？
四、离心运动
汽车在转弯的时候运动情况分析
O
F静
v
向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的.如果转弯时速度过大，所需向心力Fn大于最大静摩擦力Fmax （Fmax不足以提供向心力），汽车将做远离圆心的运动而造成交通事故.因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度.
当 时，汽车做离心运动
Fmax＜m
v2
r
四、离心运动
F合＜mω2r ，
1、定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力时，做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动.
O
F合 = mω2r，
F 合= 0 ，
物体沿切线方向飞出远离圆心
物体做匀速圆周运动
物体做逐渐远离圆心的运动
2.条件：
0 ≤F合＜mω2r
F =
F <
F >
匀速圆周运动
离心运动
向心运动
四、离心运动
问题2.离心运动在生活中应用在哪些地方？
离心抛掷
离心脱水
离心分离
离心甩干
　如图所示是摩托车比赛转弯时的情形。转弯处路面常是外高内低，摩托车转弯有一个最大安全速度，若超过此速度，摩托车将发生滑动。关于摩托车向外滑动的问题，下列论述正确的是(　　)
A．摩托车一直受到沿半径方向向外的离心力作用
B．摩托车所受外力的合力小于所需的向心力
C．摩托车将沿其线速度的方向沿直线滑去
D．摩托车将沿其半径方向沿直线滑去
B
四、离心运动
　5.在冬奥会短道速滑项目中，运动员绕周长仅111米的短道竞赛。比赛过程中运动员在通过弯道时如果不能很好地控制速度，将发生侧滑而甩离正常比赛路线。如图所示，圆弧虚线Ob代表弯道，即正常运动路线，Oa为运动员在O点时的速度方向(研究时可将运动员看作质点)。下列论述正确的是(　　)
A．发生侧滑是因为运动员受到的合力方向背离圆心
B．发生侧滑是因为运动员受到的合力大于所需要的向心力
C．若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa左侧
D．若在O点发生侧滑，则滑动的方向在Oa右侧与Ob之间
D
四、离心运动
6．(多选)如图甲所示，在光滑水平转台上放一木块A，用细绳的一端系住木块A，另一端穿过转台中心的光滑小孔O悬挂另一木块B。当转台以角速度ω匀速转动时，A恰能随转台一起做匀速圆周运动，图乙为其俯视图，则(　　)
四、离心运动
A．当转台的角速度变为1.5ω时，木块A将沿图乙中的a方向运动
B．当转台的角速度变为1.5ω时，木块A将沿图乙中的b方向运动
C．当转台的角速度变为0.5ω时，木块A将沿图乙中的b方向运动
D．当转台的角速度变为0.5ω时，木块A将沿图乙中的c方向运动
答案：BD
四、离心运动
五、竖直面内圆周运动的临界问题
问题1.现在你能不能解释水流星为什么杯子倒过来的时候水没有流出来？
五、竖直面内圆周运动的临界问题
N=0时临界情况水恰好不掉出，
临界速度
当 时，杯里的水做向心运动，没到最高点就会洒下来。
是“水流星”表演成功的关键.
G
N
在“水流星”表演中，杯子在竖直平面做圆周运动。在最高点时，杯口朝下，但杯中水却不会流下来，为什么？
1.水流星之谜
五、竖直面内圆周运动的临界问题
mg
T
v
o
问题2:在最高点时，何时杆表现为拉力？何时杆表现为支持力？试求其临界速度。
杆球模型：
最高点：
拉力
支持力
临界速度：
当v当v>v0，杆对球有向下的拉力；
问题1:最高点的最小速度是多少
最小速度v=0，此时mg=N
N
mg
v
o
五、竖直面内圆周运动的临界问题
总结：竖直平面内圆周运动的临界问题
课堂小结
1．讨论向心力的来源
2．外轨高于内轨时重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力
3．讨论：为什么转弯处的半径和火车运行速度有条件限制
生活中的圆周运动
铁路的弯道
1．离心现象的分析与讨论．
2．离心运动的应用和防止．
汽车过拱形桥和凹形桥
1．思考：汽车过拱形桥时，对桥面的压力
与重力谁大
2．圆周运动中的超重、失重情况．
航天器中的失重现象
离心运动
竖直面内圆周运动的临界问题
1．轻绳模型
2．轻杆模型
课堂练习
1.(火车转弯问题)(多选)铁路转弯处的弯道半径r是根据地形决定的。弯道处要求外轨比内轨高,其内外轨高度差h的设计不仅与r有关,还与火车在弯道上的行驶速率v有关。下列说法正确的是(　　)
A.v一定时,r越小则要求h越大
B.v一定时,r越大则要求h越大
C.r一定时,v越小则要求h越大
D.r一定时,v越大则要求h越大
答案:AD
课堂练习
越小,故A正确,B错误。当r一定时,v越大,h越大,故C错误,D正确。
课堂练习
2.(离心现象)下列事例利用了离心现象的是(　　)
答案:D
课堂练习
解析:自行车赛道倾斜,应用了支持力与重力的合力提供向心力,防止产生离心运动,故A错误。因为Fn=m ,所以速度越快所需的向心力就越大,汽车转弯时要限制速度,来减小汽车所需的向心力,防止离心运动,故B错误。汽车上坡前加速,与离心运动无关,故C错误。拖把利用旋转脱水,就是利用了离心运动,故D正确。
课堂练习
3.(失重现象的分析)(多选)宇航员在围绕地球做匀速圆周运动的空间站中处于完全失重状态,下列说法正确的是(　　)
A.宇航员仍受重力的作用
B.宇航员受力平衡
C.宇航员所受重力等于所需的向心力
D.宇航员不受重力的作用
答案:AC
解析:围绕地球做匀速圆周运动的空间站中的宇航员,所受重力全部提供其做圆周运动的向心力,处于完全失重状态,并非宇航员不受重力作用,A、C正确,B、D错误。
课堂练习
4.(竖直平面内的圆周运动)一轻绳系着装有水的水桶,在竖直平面内做圆周运动,水的质量m=0.5 kg,绳长l=60 cm,g取9.8 m/s2。
(1)求在最高点时水不会流出的桶的
最小速率。
(2)水在最高点的速率v=3 m/s时,
求水对桶底的压力。
答案:(1)2.42 m/s
(2)2.6 N,方向竖直向上
课堂练习
解析:(1)以水桶中的水为研究对象,在最高点恰好不流出来,说明水的重力恰好提供其做圆周运动所需的向心力,此时水的速率最小。设在最高点时的临界速率为v0,
(2)在最高点时,桶的速率v>v0,此时桶底对水有一向下的压力,
由牛顿第三定律可得,水对桶底的压力FN'=FN=2.6 N,方向竖直向上。
多谢欣赏！