6.4 生活中的圆周运动 课件 2023-2024学年高一物理人教版(2019)必修第二册(共29张PPT)

(共29张PPT)
第4节 生活中的圆周运动
第六章 圆周运动
赛车在经过弯道时都会减速，如果不减速赛车就会出现侧滑,从而引发事故，大家思考一下我们如何才能使赛车在弯道上不减速通过
摩托车赛中摩托车在经过弯道时不减速，可以通过倾斜摩托车来通过弯道，你知道什么力提供向心力？向心力与倾斜度有关吗？今天我们就通过实例来解决这类问题
1.会分析火车转弯、汽车过拱形桥等实际运动问题中向心力的来源，能解决生活中的圆周运动问题.
2.了解航天器中的失重现象及原因.
3.了解离心运动及物体做离心运动的条件，知道离心运动的应用及危害
知识点一：火车转弯
火车转弯时实际是在做圆周运动，因而具有向心加速度。
是什么力使它产生向心加速度？
1、火车转弯时向心力的来源
内轨
铁路弯道的内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，外轨对轮缘的弹力是火车转弯所需向心力的主要来源。
火车质量太大，靠这种办法得到向心力，将会使轮缘与外轨间的相互作用力过大，不仅铁轨和车轮极易受损，还可能使火车侧翻。
外轨
F
FN
mg
F
2、弯道处使外轨略高于内轨
火车转弯时铁轨对火车的支持力 FN 的方向不再是竖直的，而是斜向弯道的内侧，它与重力 G 的合力指向圆心，为火车转弯提供了一部分向心力。这就减轻了轮缘与外轨间的挤压。
注意：向心力是水平的
思考讨论：轨道对轮缘无挤压，此时火车的速度为多大？
FN
mg
F
在修筑铁路时，要根据弯道的半径和规定的行驶速度，适当选择内外轨的高度差，使转弯时所需的向心力几乎完全由重力 G 和支持力 FN 的合力来提供
F合＝mg tanθ
火车转弯时所需的向心力
v＝
θ
Fn = m
(1)当火车的速度v＞
(2)当火车的速度v＜
火车向外侧运动做离心运动，轮缘受到外轨向内的弹力。
火车向内侧运动做向心运动，轮缘受到内轨向外的弹力。
思考讨论：高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道，路面往往有一定的倾斜度，说说这样设计的原因。
汽车和自行车都在做圆周运动，都需要一个向心力,而向心力是车轮与地面的摩擦力提供的,由于摩擦力的大小是有限的，当汽车与地面的摩擦力不足以提供向心力时汽车就会发生侧滑，发生事故，如果高速公路转弯处和场地自行车比赛的赛道路面有一定的倾斜度，这样重力和支持力的合力可以提供一部分向心力，使行驶更安全。
注意：
向心力是按效果命名的力，任何一个力或几个力的合力，只要它的作用效果是使物体产生向心加速度，它就是物体的向心力。并不是除了受到另外物体的作用，还要再受一个向心力。
1、汽车过拱形桥
知识点二：汽车过拱形桥
质量为m的汽车在拱形桥上以速度 v 前进，设桥面的圆弧半径为 r 我们来分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力。
它们的合力就是使汽车做圆周运动的向心力 F，向心加速度的方向竖直向下。
汽车通过拱形桥
a
mg
FN
v
F ＝ mg － FN
当汽车通过桥的最高点时，根据牛顿第二定律 F ＝ ma，
因为 F ＝ m 所以 mg － FN ＝ m
FN ＝ mg － m
由牛顿第三定律： FN′ ＝ mg － m
即：汽车对桥的压力 FN′与桥对汽车的支持力 FN 是一对作用力和反作用力，大小相等。
所以压力的大小为 FN′＝ mg－m< mg 即：汽车处于失重现象而且汽车的速度越大，汽车对桥的压力越小。
思考讨论：当恰好FN′ = 0时，汽车的速度为多大？当汽车以越来越大的速度通过拱形桥的最高点时，会发生什么现象？
当恰好FN′ = 0时，重力提供物体做圆周运动的向心力
由 FN′＝ mg－mv2/r< mg 可知，速度越来越大， FN′ 越来越小，
当FN′ = 0，即： v 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。
即：mg＝m 解得： v＝
2、汽车通过凹形路面
mg
FN
a
FN －mg＝ m
FN ＝mg +m＞mg
由牛顿第三定律得，汽车通过桥的最高点时对桥的压力比汽车重力大
FN′＝ mg + m > mg
此时汽车处于超重现象。
思考讨论：地球可以看作一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球的半径 R（约为6 400 km）。地面上有一辆汽车在行驶，所受重力 G＝mg，地面对它的支持力是 FN根据上面的分析，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小。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 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？
地球可以看作一个巨大的拱形桥
解：若地面对车的支持力恰好为零，那么车的重力提供向心力，即mg＝m，所以v＝＝ m/s
＝7.9×103 m/s＝7.9 km/s.
这时驾驶员与座椅之间的压力也为零，所有因重力引起的压力都变为零，处于完全失重状态，驾驶员躯体各部分之间的压力也为零，这时，他站着坐着躺着的感觉都是一样的，处于完全失重状态。
用模拟实验验证分析
1、航天器在发射升空（加速上升）
航天器在发射升空（加速上升）时：FN－mg ＝ma
FN=ma+mg 航天员处在超重状态。
2、航天器绕地球做匀速圆周运动时
当飞船距地面高度为 100 200 km 时，它的轨道半径近似等于地球半径 R，航天员受到的地球引力近似等于他在地面受到的重力mg。
知识点三：航天器中的失重现象
除了地球引力外，航天员还可能受到飞船座舱对他的支持力 FN。
引力与支持力的合力为他提供了绕地球做匀速圆周运动所需的向心力 即：
mg － FN ＝m
FN ＝m（g－）
由此可以解出，当v ＝时座舱对航天员的支持力FN ＝ 0，航天员处于完全失重状态。
A
2、离心运动
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、做圆周运动的物体，如果向心力突然消失，由于惯性，总有沿着切线方向飞出去的倾向。
FF知识点三：离心运动和向心运动
3、向心(近心)运动
做圆周运动的物体，在所受合外力大于物体所需的向心力时（ F合> Fn ），就做逐渐靠近圆心的运动，这种运动就叫做向心(近心)运动。
4、离心运动的应用和防止
（1）离心运动的应用
①洗衣机脱水
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。
②医务人员用离心机分离血液
借助离心机，医务人员可以从血液中分离出血浆和红细胞
③棉花糖的制作
小朋友爱吃的 “棉花糖” 它的制作方法也应用了离心运动的原理。
④无缝钢管
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。
（2）离心运动的防止
①汽车拐弯时限速
在水平公路上行驶的汽车转弯时静摩擦力提供汽车转弯时的向心力，如果转弯时速度过大，Fmax汽车转弯时速度过大会造成交通事故
v
汽车
Fmaxo
②高速旋转的飞轮、砂轮的限速
对于一些本身转动的物体也要预防离心现象例如：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。
高速转动的砂轮
1.对空间站中处于完全失重状态的水珠，下列说法正确的是（ ）
A.水珠仍受重力的作用
B.水珠受力平衡
C.水珠所受重力等于所需的向心力
D.水珠不受重力的作用
AC
2.关于离心运动，下列说法正确的是（ ）
A.物体一直不受合外力作用时，可能做离心运动
B.沿半径方向合外力突然变大时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动
C.只要向心力的大小发生变化，原来做匀速圆周运动的物体就将做离心运动
D.沿半径方向合外力突然消失或变小时，原来做匀速圆周运动的物体将做离心运动
D
3.火车以半径R= 900 m转弯，火车质量为8×105kg ，速度为30m/s，火车轨距l=1.4 m，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨道应该垫的高度h？
FN
mg
θ
h
解：（θ较小时tanθ=sinθ）
由力的关系得：F=m
由向心力公式得：= tanθ
由几何关系得：=sinθ
h= =0.14m
F
一、火车转弯
1. v0＝ 时，重力 G 和支持力 FN 的合力来提供火车转弯时所需的向心力。
v>v0，外轨有挤压；v< v0，内轨有挤压。
二、汽车过桥问题
1.拱桥： FN =mg-m2.凹桥：FN=mg+m>mg
三、航天器里的失重
四、离心运动和向心运动
1.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F2.在所受合外力大于物体所需的向心力时（ F合> Fn ），这种运动就叫做向心(近心)运动。