人教版高中物理必修第二册 第6章 第4节 生活中的圆周运动（课件）(共31张PPT)

(共31张PPT)
第6章　圆周运动
第4节　生活中的圆周运动
导入
小球的向心力来源是什么
环节一：探究小球在玻璃漏斗中做圆周运动时的受力情况
1.将小球放在玻璃漏斗里，让小球在短时间内离漏斗尖端固定的高度做匀速圆周运动。如果想让小球做圆周运动的高度变化，该如何操作
环节一：探究小球在玻璃漏斗中做圆周运动时的受力情况
2.如果漏斗不动，小球主动转动，小球在固定高度做圆周运动的向心力由什么力提供 已知小球质量m，倾斜角度θ，运动半径r，A、B两位置的线速度大小是否相同 请解释小球做圆周运动的高度变化的原因。
环节一：探究小球在玻璃漏斗中做圆周运动时的受力情况
倾斜路面的好处是什么
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
2022年对2013年7月24日西班牙列车脱轨的调查显示，这列火车脱轨的路段是一处急转弯，限速80 km/h，但当时列车的行驶速度是179 km/h。调查还显示，司机在事故发生前几秒钟接听了电话。司机的律师告诉媒体，事故发生地一段铁路路标丢失以及其他安全措施不足引发了脱轨，而不是接听电话。事故造成大约80人死亡，150人受伤。
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
中国铁路经过第六次大提速，现在铁路主要干线上列车的速度已经提高到每小时200~250千米。其中京沪高铁可达到每小时380千米。如果你是铁路工程师，如何保证火车转弯安全的同时并减缓设施的老化
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
在实际生活中火车的车轮和轨道有什么特点 若火车在水平轨道转弯，是否存在由于圆周运动产生对铁轨的挤压力 挤压内轨道还是外轨道
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
我国自主研发的CR400AF电力动车组，最高运营速度达到350 km/h(约为100 m/s)，8节车厢编组，总质量约为500吨，工程设计弯道最小曲线半径为5 000 m(可近似认为轨道转弯处的半径R=5 000 m)。若转弯处轨道是水平的，请计算动车以100 m/s的速度转弯时需要的向心力是多大 为了减少动车对轨道的挤压和避免事故，生活中动车转弯处的轨道结构有什么特点 此时动车向心力的来源是什么
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
水平轨道上运行的动车，它转弯时需要的向心力主要来源于轨道对外轮的压力。上述情境中，动车在水平轨道上以100 m/s的速度转弯时需要的向心力约为106 N。
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
为了减少动车转弯对轨道的损害，设计时，在铁路的弯道处，内、外轨有高度差。
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
若已知火车的质量m，轨道倾斜角度θ，转弯半径r。若火车对轨道没有挤压，求火车做匀速圆周运动的线速度大小。若火车转弯时大于这个速度，火车是否会像漏斗模型中的小球一样向上运动
mg
FN
F
θ
环节二：分析水平面火车转弯过程的圆周运动
（1）火车转弯时，若火车轮缘不受轨道压力，则mgtan θ= m，得v0= grtan θ。其中，r为弯道半径，θ为轨道所在平面与水平面的夹角，v0为弯道的规定速度。
（2）当火车速度v>v0时，火车有离心运动趋势，外轨与轮缘间存在侧向挤压力。
（3）当火车速度v环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
当你骑自行车上学的途中，高速行驶做圆周运动的车轮碾过一个大坑时，坐在车座的你会有什么感受呢
将你和车的总质量设为m，凹形路面简化为一个半径为r的圆的一部分，可认为车在竖直平面内做圆周运动，当车经过凹形路面的最低点时速度为v，车的向心力由谁来提供 车对地面的压力有多大 车处于失重还是超重状态 人的感受如何
环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
建立物理模型，做汽车过凹形路面的受力分析（如图所示）。
以向心力的方向为正方向，由牛顿第二定律得
FN-mg=m
解得FN=mg+m。
环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
由牛顿第三定律可求出凹形路面受到的压力：
FN'=FN= mg+m>mg
可见，FN >mg，即汽车通过凹形路面时对路面的压力大于其所受的重力，处于超重状态，人感觉到了座椅对人向上的支持力。
汽车通过凹形路面时对路面的压力大于汽车的重力，并随着速度的增大而增大。
环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
提示：在拱形桥的最高点，对汽车进行受力分析，确定向心力的来源；由牛顿第二定律列出方程求出汽车受到的支持力；由牛顿第三定律求出桥面受到的压力。
汽车通过拱形桥的最高点时，会出现什么情况呢
环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
在拱形桥的最高点，对汽车进行受力分析，如图所示。
以向心力的方向为正方向，由牛顿第二定律得
mg-FN=m
解得FN=mg-m。
环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
由牛顿第三定律求出拱形桥面受到的压力：
FN'=FN =mg-m
可见， FN 环节三：利用凹凸桥模型，研究物体在竖直平面的圆周运动
汽车通过拱形桥的最高点时对桥面的压力FN'小于汽车的重力mg，并且压力随汽车速度的增大而减小。
当汽车对桥面的压力刚好减为0时，汽车的速度有多大 当汽车的速度大于这个速度时，会发生什么现象
可知当速度过快时，汽车可能离开桥面做平抛运动，非常危险。
环节四：航天器中的失重现象
当汽车的速度达到一定程度时，地面对车的支持力是0。这时驾驶员与座椅之间的压力是多少 驾驶员躯体各部分之间的压力是多少 他这时可能有什么感觉
环节四：航天器中的失重现象
分析航天员的受力情况可得mg-FN=m
解得FN=mg-m。
当mg=m时，解得v=。
即当v=时，座舱对航天员的支持力FN=0，航天员与座椅之间的压力、航天员躯体各部分之间的压力都是0，航天员处于完全失重状态。
环节四：航天器中的失重现象
环节五：了解生活中的离心运动
用不可伸长的细绳牵引着小球在光滑的水平面上做匀速圆周运动，当突然撤去绳子的拉力时，小球将怎样运动 若小球受的拉力小于小球需要的向心力，小球会如何运动呢
环节五：了解生活中的离心运动
（1）若F合=mω2r或F合=m，物体做匀速圆周运动，即“提供”满足“需要”。
（2）若F合>mω2r或F合>m，物体做半径变小的近心运动，即“提供过度”，也就是“提供”大于“需要”。
环节五：了解生活中的离心运动
（3）若F合< mω2r或F合环节五：了解生活中的离心运动
（4）若F合=0，则物体做直线运动。
注意：做圆周运动的物体，在向心力突然消失，或合力不足以提供向心力时，物体就会逐渐远离圆心运动，这种运动叫作离心运动。
环节五：了解生活中的离心运动
（1）应用：
①洗衣机脱水时，利用离心运动把附着在衣物上的水甩掉。
②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。
环节五：了解生活中的离心运动
（2）危害：
①在水平公路上行驶的汽车，如果转弯时速度过快，所需向心力F很大，大于最大静摩擦力Fm时，汽车将做离心运动而造成事故。
②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
1.如图所示，长为L的悬线固定在O点，在O点正下方有一钉子C，O、C的距离为L2，把悬线另一端的小球A拉到跟悬点在同一水平面处无初速度释放，小球运动到悬点正下方，悬线碰到钉子瞬间 （ ）
A.小球的线速度突然增大为原来的2倍
B.小球的加速度突然增大为原来的2倍
C.小球受的拉力突然增大为原来的2倍
D.小球的向心力突然增大为原来的4倍
B
课堂练习
2.火车轨道在转弯处外轨高于内轨，其高度差由转弯半径与火车速度确定。若在某转弯处规定行驶的速度为v，则下列说法中正确的是（ ）
①当火车以v的速度通过此弯路时，火车所受重力与轨道面支持力的合力提供向心力
②当火车以v的速度通过此弯路时，火车所受重力、轨道面支持力和外轨对轮缘弹力的合力提供向心力
③当火车速度大于v时，轮缘挤压外轨
④当火车速度小于v时，轮缘挤压外轨
A.①③ B.①④
C.②③ D.②④
A