6.4 生活中的圆周运动 课件(共42张PPT) 2024-2025学年高中物理人教版（2019）必修第二册

(共42张PPT)
第四节 生活中的圆周运动
第六章 圆周运动
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
素养目标
1.会分析火车转弯、汽车过拱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.观察生活中的离心现象，知道离心运动产生的原因，了解其在生活中的应用，并知道离心运动所带来的危害
在铁路弯道处，稍微留意一下，就能发现内、外轨道的高度略有不同；赛车选手在过弯时都会尽量抢占弯道内侧。你能解释其中的原因吗？
新课讲解
过山车
悠悠球
秋千
旋转木马
生活中的圆周运动还有哪些？
下面我们借助几个例子分析圆周运动。
一、火车转弯
观察汽车过弯和火车转弯，你发现了什么嘛？它们的轮胎有什么特别的地方吗？
与汽车轮胎不同的是，火车的车轮上有突出的轮缘。
火车的车轮上会什么会设置轮缘呢，想一想它的作用。
轮缘
轮缘的作用
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
F
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
思考一下：铁路弯道处，外轨略高于内轨有什么作用？
转弯所需的向心力由火车所受支持力FN与自身重力G的合力提供
FN
G
F合
θ
外轨略高于内轨
O
O
G
FN
F合
θ
θ
F合＝mg tanθ
轨道对轮缘无挤压，此时火车的速度为多大？
火车转弯时所需的向心力
Fn = m
v2
R
v＝ gR tanθ
若火车的速度大于或小于这个值时，轨道对轮缘有挤压吗？
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:
经典例题
质量为m的火车转弯时，做匀速圆周运动的轨道半径为r，轨道宽L，高度差为h，求火车速度多大时对轨道侧向无压力。
思考: ①如果v行驶>v临界，情况如何？ ②如果v行驶O
G
FN
F合
θ
θ
任何一个力或几个力的合力，其作用效果是使物体产生向心加速度，那么该力就是物体的向心力
赛车车道的转弯处，路面往往也有一定的斜度
为了快速过弯，摩托车手会压低车身向弯道内侧
拱形桥
吊桥
凸形路面
凹形路面
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
a
mg
FN
v
v2
R
mg－FN＝m
v2
R
FN ＝mg－m
v2
R
F压＝FN ＝mg－m
FN ＜mg
汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于失重
a
mg
FN
v
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。
v2
R
FN ＝mg－m
临界速度
想一想，当速度在增大时，会发生什么？
汽车静止在桥上或通过水平桥时，受力怎样？
F压＝FN＝mg
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
F压＝FN ＝mg + m
v2
R
FN－mg＝m
FN >mg
汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重
用实验模拟汽车过桥
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，地面对车的支持力为零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？
思考与讨论
FN
mg
a
三、航天器中的失重现象
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。
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 ＝mFN ＝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。
如果地球的引力突然消失，航天器将做什么样的运动呢？
有人把航天器失重的原因说成是它离地球太远，从而摆脱了地球引力，这种说法对吗？
正是由于地球引力的存在，才使航天器连同其中的人和物体绕地球做圆周运动.
F合＜mω2r ，
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
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
四、离心运动
1、定义：物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2、原因：向心力突然消失或外力不足以提供所需向心力。
3、合力与向心力的关系对圆周运动的影响
4、离心运动的实质：离心现象的本质是物体惯性的表现。做圆周运动的物体，由于惯性，总是有沿着圆周切线飞出去的趋向，之所以没有飞出去，是因为受到向心力的作用。从某种意义上说，向心力的作用是不断地把物体从圆周运动的切向方向拉回到圆周上来。
当 F＝mω2r 时，物体做匀速圆周运动；
当 F＝0 时，物体沿切线方向飞出；
当 F＜mω2r 时，物体逐渐远离圆心；
当 F＞mω2r 时，物体逐渐靠近圆心。
离心脱水
离心分离
掷链球
例1　如图所示，下列有关生活中的圆周运动实例分析，其中说法正确的是( )
A.汽车通过凹形桥的最低点时，汽车处于超重状态
B.铁路的转弯处，通常要求外轨比内轨高，是为了利用轮缘与外轨的侧压力助火车转弯
C.杂技演员表演“水流星”，当它通过最高点时处于完全失重状态，不受重力作用
D.脱水桶的脱水原理是水滴受到的离心力大于它受到的向心力，从而沿切线方向甩出
√
经典例题
答案：A
解析：A.汽车通过凹形桥的最低点时，汽车的加速度方向向上，汽车处于超重状态，A正确；
B.铁路的转弯处，通常要求外轨比内轨高，目的是在合适的速度下，减小车轮与轨道侧面之间的压力，B错误；
C.杂技演员表演“水流星”，当它通过最高点时处于完全失重状态，挤压力为零，但仍受重力作用，C错误；
D.脱水桶的脱水原理是水滴受到的力小于所需的向心力，水滴做离心运动，脱离衣服，达到脱水的目的，D错误；
例2 如图甲所示，游乐场有一种叫作“快乐飞机”的游乐项目，模型如图乙所示。已知模型飞机质量为m，固定在长为L的旋臂上，旋臂与竖直方向夹角为45°，当模型飞机以角速度 绕中央轴在水平面内做匀速圆周运动时，下列说法正确的是( )（不计空气阻力，重力加速度为g）
A.模型飞机受到重力、旋臂的作用力和向心力
B.旋臂对模型飞机的作用力方向不垂直于旋臂
C.旋臂对模型飞机作用力大小为
D.若转动的角速度增大，则旋臂对模型飞机的作用力减小
C
答案：C
解析：A.向心力是效果力，实际上不存在，可知模型飞机不受向心力作用，受到重力和旋臂对模型飞机的两个作用力，故A错误；
BC.模型飞机在水平面内做匀速圆周运动，竖直方向受力平衡，所以旋臂对模型飞机作用力的一个分力F1平衡了飞机的重力，即有F1=mg,另一个分力提供了飞机做匀速圆周运动的向心力，则有F2，
可知旋臂对模型飞机的作用力方向一定与旋臂垂直且大小等于 ，故B错误，C正确；
D.根据上述分析知，若转动的角速度增大，F2增加，F1不变，旋臂对模型飞机的作用力 可知若转动的角速度增大，则旋臂对模型飞机的作用力增大，故D错误。
火车转弯
汽车过桥
失重现象
离心运动
当 v＜ gR tanθ ：
当 v＞ gR tanθ ：轮缘受到外轨向内的弹力
轮缘受到内轨向外的弹力
FN FN>mg：超重
做离心运动的条件：
1.如图甲所示，滚筒洗衣机脱水时，滚筒内的衣物随滚筒在竖直面内做匀速圆周运动，可简化为如图乙所示模型，A、C两点分别为衣物运动的最高点和最低点，B、D两点与圆筒圆心等高，则对脱水过程.下列说法正确的是( )
A.从A到C衣物处于失重状态
B.在B、D两点衣物的加速度相同
C.脱水效果最好的位置在C点
D.已脱水的衣物在A点受到的合力最小
C
答案：C
解析：从A到C衣物竖直方向的分加速度先向下后向上，因此先失重后超重，选项A错误；在B、D两点衣物的加速度大小相等，方向相反，选项B错误；在C位置，衣物对圆筒的压力最大，脱水效果最好，选项C正确；已脱水的衣物在各点受到的合力大小相等，选项D错误。
2.设计师设计了一个非常有创意的募捐箱，如图甲所示，把硬币从投币口放入，接着在募捐箱上类似于漏斗形的部位（如图乙所示，O点为漏斗形口的圆心）滑动很多圈之后从中间的小孔掉入募捐箱。如果硬币在不同位置的运动都可以看成匀速圆周运动，摩擦阻力忽略不计，则某一枚硬币在a、b两处时( )
A.向心加速度大小
B.角速度大小
C.线速度大小
D.向心力大小
B
答案：B
解析：C.硬币从a到b的过程中，只有重力对硬币做正功，其他外力对硬币不做功，根据动能定理可知线速度大小 ，故C错误；
B.由于 且 ，则根据 ，可知
故B正确；
AD.设募捐箱内壁曲面的切线与水平方向的夹角为θ，则根据牛顿第二定律和力的合成与分解可得
因为 ，所以 ，
故AD错误。
3.如图所示为某赛车比赛中的精彩瞬间。赛车正在倾斜轨道上转弯，假设赛车运动的轨道平面始终在水平面内，赛车的速度为v，倾斜轨道与水平方向夹角为θ，赛车转弯的半径为R，
重力加速度为g，则下列说法正确的是( )
A. 时，赛车有沿倾斜轨道向上运动的趋势
B. 时，赛车刚好没有沿倾斜轨道向上或向下运动的趋势
C. 时，赛车沿倾斜轨道向下会受到摩擦力作用
D. 时，赛车沿倾斜轨道向下会受到摩擦力作用
C
答案：C
解析：AB.赛车只受重力和支持力的情况下 解得 故AB项错误；CD. 时，赛车需要更大的向心力，需要摩擦力沿倾斜轨道向下； ，故赛车需要较小的向心力，需要摩擦力沿倾斜轨道向上，故C项正确，D项错误。故选C。
4.（多选）某游乐场的一项游乐设施如图甲所示，它可以简化为如图乙所示的模型，已知圆盘的半径R=2.5m，悬绳长 ，圆盘启动后始终以恒定的角速度转动，若测得悬绳与竖直方向的夹角 ，重力加速度 。下列说法正确的是( )
A.圆盘转动的角速度为
B.假设人和座椅的总质量为m，悬绳上的拉力为
C.若人和座椅的总质量不变，圆盘转速增加，则悬绳与竖直方向的夹角不变
D.若人和座椅的总质量增大，圆盘转速不变，则悬绳与竖直方向的夹角不变
ABD
答案：ABD
解析：A.如图所示
人和座椅做匀速圆周运动的向心力由重力和悬绳
拉力的合力提供，圆周运动的半径为2R，
则有 可得 ，故A正确；
B.悬绳的拉力 ，故B正确；
CD.由于
故只要转速不变，悬绳与竖直方向的夹角就保持不变，故C错误，D正确。故选ABD。
5.（多选）图甲所示的“太极球”是较流行的健身器材。现将太极球拍和球简化成如图乙所示的平板和球，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
图中的四个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。
设球的质量为m，不计球拍的质量和球与球拍间的
摩擦。下列说法正确的是( )
A.球运动到最高点A时的最小速度为零
B.球在C处对板的作用力比在A处对板的作用力大2mg
C.增大球的运动速度，当球运动到B点时板与水平面的夹角θ变大
D.球运动到B点，θ=45°时，板对球的作用力大小F=2mg
BC
答案：BC
解析：A.当球恰好能做圆周运动时，在最高点A处有 可得球的最小速度 故A错误；B.设球做匀速圆周运动的速度为v，根据牛顿第二定律可知在A处时有 在C处时有 得 故B正确；C.当球运动到B点时，受力分析如图所示
有 增大球的运动速度，板与水平面
的夹角θ应变大，故C正确；D.球运动到B点，
时，板对球的作用力大小为
故D错误。故选BC。