人教版高中物理必修第二册第六章圆周运动第4节生活中的圆周运动课件（51页PPT）

(共51张PPT)
[学习目标]
1.会分析具体圆周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其原因。
3.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。
1.火车在弯道上的运动特点：火车转弯时实际是在做________，因而具有____加速度。
圆周运动
向心
重力
支持力
mg tan θ
静摩擦力
增大
外高内低
[思考探究]
火车轨道和火车轮缘以及火车转弯的示意图如图甲、乙所示。
(1)如果铁路弯道的内、外轨一样高，火车在转弯时的向心力由什么力提供？会导致怎样的后果？
(2)实际上在铁路的弯道处外轨略高于内轨，如图丙所示。试从向心力的来源角度分析为什么要这样设计？
[提示]　(1)如果铁路弯道的内、外轨一样高，火车在竖直方向所受重力与支持力平衡，其向心力由外侧车轮的轮缘挤压外轨，使外轨发生弹性形变，对轮缘产生的弹力来提供；由于火车的质量太大，轮缘与外轨间的相互作用力太大，使轨道和车轮极易受损，还可能使火车侧翻。
(2)如果弯道处外轨略高于内轨，火车在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，为火车转弯提供一部分向心力，从而减轻轮缘与外轨的挤压。
[例1]　(2025·广东中山高一期末)为了使赛车快速安全通过弯道，有些赛车道转弯处通常设计成赛道表面外侧高，内侧低。某赛道急转弯处是一圆弧，赛道表面倾角为θ，如图所示，当赛车行驶的速率为v时，恰好没有向赛道内、外两侧滑动的趋势。则在该弯道处(　　)
D
A.赛车受到重力、支持力和向心力
B.赛车所需的向心力等于其所受地面的支持力
C.车速高于v，车辆便会向弯道外侧滑动
D.若弯道半径不变，设计的θ角变小，则v的值变小
[例2]　在修筑铁路时，为了消除轮缘与铁轨间的挤压，要根据弯道的半径和规定的行驶速度，设计适当的倾斜轨道，即两个轨道存在一定的高度差。火车轨道在某转弯处其轨道平面倾角为θ，转弯半径为r，在该转弯处规定行驶的速度为v，下列说法正确的是(　　)
D
mg－FN
小于
mg－FN
大于
完全失重
[易错辨析]
(1)汽车在拱形桥上行驶，速度较小时，对桥面的压力大于车的重力。( )
(2)汽车在水平路面上加速行驶时对水平路面的压力大于车的重力。( )
(3)汽车过凹形桥底部时，对桥面的压力大于车的重力。( )
(4)航天器中的物体处于完全失重状态，所受的合力为零。( )
×
×
√
×
[例3]　如图所示，一辆质量为m的汽车先过一段凹形桥，再过一段拱形桥，M、N分别为桥的最低点和最高点，且汽车通过M、N两点时的速度均不为0。汽车在通过两种桥面的过程中均未脱离桥面，下列说法正确的是(　　)
D
A.汽车通过M点时处于失重状态
B.汽车通过M点时的加速度可能为0
C.汽车通过N点时，无论速度多大，对桥面始终有压力
D.汽车通过N点时对桥面的压力一定比通过M点时对桥面的压力小
[例4]　如图所示，在轨运行的空间站内航天员将小球用不可伸长的细线系住，细线另一端系在固定支架上O点处，进行如下两次操作，第一次操作：将细线拉直并偏离竖直方向一个小角度后由静止释放小球；第二次操作：竖直向下拉直细线并给小球一个垂直细线的速度。则(　　)
A.第一次操作中，小球绕O点做往复运动
B.第一次操作中，小球朝向O点做直线运动
C.第二次操作中，小球绕O点做匀速圆周运动
D.第二次操作中，小球相对O点做匀速圆周曲线运动
C
解析　在轨运行的空间站内所有物体都处于完全失重状态，故第一次操作中小球保持静止，A、B错误；第二次操作中小球因受绳的拉力而做圆周运动，C正确，D错误。
1.定义：做圆周运动的物体沿切线方向飞出或________圆心的运动。
2.原因：向心力突然____或合力____以提供所需的向心力。
逐渐远离
消失
不足
(1)当F合＝0时，物体沿切线方向做_____________。
(2)当0(3)当F合＝mω2r时，“提供”等于“需要”，物体做____________。
(4)当F合>mω2r时，“提供”超过“需要”，物体做_________。
匀速直线运动
离心运动
匀速圆周运动
近心运动
4.离心运动的应用和防止
(1)应用：离心干燥器；洗衣机的______；离心制管技术；离心机。
(2)防止：汽车在公路转弯处必须________；转动的砂轮、飞轮等的转速不能太高。
脱水桶
限速行驶
[思考探究]
链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出(如图甲所示)；雨天，当你旋转自己的雨伞时，会发现水滴沿着伞的边缘切线飞出(如图乙所示)。
(1)链球飞出后受什么力？
(2)你能说出水滴在伞的边缘沿切线飞出的原因吗？
(3)物体做离心运动的条件是什么？
[提示] 　(1)重力和空气阻力。
(2)旋转雨伞时，雨滴也随着运动起来，但伞面上的雨滴受到的力不足以提供其做圆周运动的向心力，雨滴由于惯性要保持其原来的速度方向而沿切线方向飞出。
(3)物体受到的合力不足以提供所需的向心力。
[例5]　在水平公路上行驶的汽车，当汽车以一定速度运动时，车轮与路面间的最大静摩擦力恰好等于汽车转弯所需要的向心力，汽车沿如图所示的圆形路径(虚线)运动，当汽车行驶速度突然增大，则汽车的运动路径可能是(　　)
B
A.Ⅰ B.Ⅱ C.Ⅲ D.Ⅳ
解析　当汽车行驶速度突然增大时，最大静摩擦力不足以提供其需要的向心力，则汽车会发生离心运动，即汽车的运动路径可能沿着轨迹Ⅱ，故B正确。
[例6]　如图甲所示，滚筒洗衣机脱水时，衣物紧贴着滚筒内壁在竖直平面内做匀速圆周运动，可简化为图乙所示的模型。可视为质点的衣物经过的最高位置和最低位置分别为A、B，已知此时滚筒转动的周期为T，滚筒半径为R，衣物的质量为m，重力加速度大小为g。下列说法正确的是(　　)
B
1.(火车转弯问题)如图所示，为了测量列车通过一圆弧形弯道在水平面内转弯的半径的大小，某人设计了如下方法：将一重物(可视为质点)用轻绳悬挂在列车车厢顶部，当列车以恒定速率v通过该弯道时，发现轻绳与车厢侧壁保持平行。已知弯道路面与水平面间夹角为θ，空气阻力不计，重力加速度为g。则列车在该弯道的转弯半径大小为(　　)
C
2.(汽车过拱形桥问题)如图所示，一汽车过半径均为50 m的圆弧形凹桥和凸桥，在凹桥的最低处和凸桥的最高处的速度大小均为10 m/s，取重力加速度大小g＝10 m/s2，则在凸桥的最高处和凹桥的最低处汽车对桥面的压力大小之比为(　　)
B
A.3∶2 B.2∶3 C.2∶1 D.3∶1
3.(航天器中的失重现象)(多选)在绕地球做匀速圆周运动的天宫空间站中，下列仪器可以使用的是(　　)
A.弹簧测力计 B.水银气压计
C.水银温度计 D.天平
解析　绕地球做匀速圆周运动的天宫空间站的重力完全充当向心力，处于完全失重状态，所以利用重力原理的一切仪器都不能使用，虽然弹簧测力计不能测量重力，但可以测量拉力；水银温度计是根据液体热胀冷缩的性质制成的，跟重力没有关系，在太空中能用温度计测量温度，故选项A、C正确
AC
4.(离心现象)家住公路转弯处外侧的李先生家连续遭遇了七次大卡车侧翻在自家门口的场面，经公安部门和交通部门协力调查，画出的现场示意图如图所示，以下判断正确的是(　　)
D
A.公路在设计上一定是内侧高外侧低
B.公路在设计上一定是外侧高内侧低
C.拐弯时汽车一定受到了离心力
D.拐弯时汽车一定做了离心运动
解析　汽车在水平路面上拐弯时，靠静摩擦力提供向心力，现在易发生侧翻可能是路面设计不合理，公路的设计上可能内侧高外侧低，重力沿斜面方向的分力背离圆心，导致合力不够提供向心力而致。公路的设计上也可能内侧低外侧高，但汽车车速过快，重力和摩擦力不足以提供向心力，故A、B错误；汽车发生侧翻是因为提供的力不够做圆周运动所需的向心力，发生离心运动，并不是受到离心力的作用，故C错误，D正确。
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[基础巩固练]
D
1.在天和核心舱中工作的航天员可以自由悬浮在空中，处于失重状态，下列分析正确的是(　　)
A.失重就是航天员不受力的作用
B.失重的原因是航天器离地球太近，从而摆脱了地球引力的束缚
C.失重是航天器独有的现象，在地球上不可能存在失重现象
D.正是由于引力的存在，才使航天员有可能做环绕地球的圆周运动
解析　航天器和航天员在太空中受到的引力提供向心力，使航天器和航天员做环绕地球的圆周运动，故A错误，D正确；失重时航天员仍然受到地球引力作用，故B错误；失重是普遍现象，任何物体只要有方向向下的加速度，均处于失重状态，故C错误。
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2.(多选)在铁路转弯处，往往使外轨略高于内轨，这是为了(　　)
A.增加火车轮子对外轨的挤压
B.增加火车轮子对内轨的挤压
C.使火车车身倾斜，利用重力和支持力的合力提供转弯所需的向心力
D.限制火车向外脱轨
CD
解析　火车轨道建成外高内低，火车转弯时，轨道的支持力与火车的重力两者的合力指向弧形轨道的圆心，为火车转弯提供了(部分)向心力，减轻了轮缘与外轨的挤压，同时在一定程度上限制了火车转弯时发生离心运动，即限制火车向外脱轨，故C、D正确。
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3.(2025·山东聊城高一阶段检测)(多选)气嘴灯对自行车的气嘴起到装饰作用，使夜间骑行时自行车有灯光效果，是夜骑的一道风景线，深受青少年骑行爱好者喜爱，气嘴灯安装在自行车的气嘴上，骑行时会发光。一种气嘴灯的感应装置结构如图所示，一重物套在光滑杆上，重物上的触点M与固定在B端的触点N接触后，LED灯就会发光，下列有关说法正确的是(　　)
ACD
A.感应装置的原理是利用离心运动
B.气嘴灯运动至最低点时处于失重状态
C.气嘴灯做圆周运动时，重物受到重力、弹力的作用
D.要使气嘴灯在较低的转速时发光，可换用劲度系数更小的弹簧
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解析　感应装置的原理是利用离心现象，使两触点接触点亮LED灯，故A正确；气嘴灯运动至最低点时加速度向上，处于超重状态，故B错误；气嘴灯做圆周运动时，重物受到重力、弹力的作用，合力提供向心力，故C正确；气嘴灯的转速较低时能够做离心运动，即弹簧弹力和重力的合力小于圆周运动需要的向心力，则需要用劲度系数更小的弹簧，以保证足够大的形变量使得两触点接触，故D正确。
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4.飞机驾驶员最多可承受9倍的重力加速度带来的影响，当飞机在竖直平面上沿圆弧轨道俯冲时速度为v，则圆弧的最小半径为(　　)
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5.胎压监测器可以实时监测汽车轮胎内部的气压，在汽车上安装胎压监测报警器，可以预防因汽车轮胎胎压异常而引发的事故。一辆装有胎压报警器的载重汽车在高低不平的路面上匀速率行驶，其中一段路面的水平观察视图如图所示，图中虚线是水平线，下列说法正确的是(　　)
B
A.经过图中B处最容易超压报警
B.经过图中A处最容易超压报警
C.经过A处时汽车受到的支持力可能与重力大小相等
D.经过B处时汽车受到的支持力可能与重力大小相等
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7.高铁列车的速度很大，铁路尽量铺设平直，但在铁路转弯处(图甲)，要求内、外轨道的高度不同。在设计轨道时，其内、外轨高度差h不仅与转弯半径r有关，还与列车在弯道上的行驶速率v有关。列车在转弯轨道上的截面图如图乙所示，下列说法正确的是(　　)
C
A.列车的转弯速度越小，轮缘对轨道的作用力一定越小
B.当列车质量增加时，列车在弯道上的行驶速率v应该减小
C.当列车的转弯半径r一定时，v越大，h越大
D.当列车在弯道上的行驶速率v一定时，r越大，h越大
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[能力提升练]
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8.(2025·四川绵阳高一期末诊断)如图所示，一质量为m的汽车驶上半径为R的拱桥，到达拱桥最高点时的行驶速度为v且不腾空。则下列说法正确的是(　　)
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10.在用高级沥青铺设的高速公路上，对汽车的设计限速是30 m/s。汽车在这种路面上行驶时，它的轮胎与地面间的最大静摩擦力等于车重的0.6倍，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8。
(1)如果汽车在这种高速公路的水平弯道上转弯，假设弯道的路面是水平的，其弯道的最小半径是多少？
(2)如果高速公路上设计了圆弧拱桥做立交桥，要使汽车能够安全通过(不起飞)圆弧拱桥，这个圆弧拱桥的半径至少是多少？
(3)如果弯道的路面设计为倾斜(外高内低)，弯道半径为120 m，要使汽车以最大速度通过此弯道时不产生侧向摩擦力，则弯道路面的倾斜角度是多少？
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答案　(1)150 m　(2)90 m　(3)37°
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[拓展培优练]
11.无缝钢管的制作原理如图所示，竖直平面内，管状模型置于两个支承轮上，支承轮转动时通过摩擦力带动管状模型转动，铁水注入管状模型后，由于离心作用，铁水紧紧地覆盖在模型的内壁上，冷却后就得到无缝钢管。已知管状模型内壁半径为R，重力加速度为g，则下列说法正确的是(　　)
C
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