人教版（2019） 高中物理必修第二册 6.4 生活中的匀速圆周运动 学案
文档属性
| 名称 | 人教版（2019） 高中物理必修第二册 6.4 生活中的匀速圆周运动 学案 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 253.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-05-22 23:09:19 | ||
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文档简介
高一 必修二 物理导学案
火车转弯+汽车过拱形桥+离心现象
一、学习目标
1．能定性分析火车转弯时外轨高的原因。
2．能定量分析汽车过拱形桥最高点和凹形桥最低点的压力问题。
3．知道航天器中的失重现象的本质。
4．知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
二、自主阅读反馈
火车转弯：
1、火车车轮的结构特点:火车的车轮上有突出的轮缘,火车行驶时,有轮缘的一侧在轨道内。
作用:有助于固定运动轨迹。
2、火车在弯道上的运动特点:圆周运动,有指向圆心的向心加速度。
3、向心力的来源:当内外轨一样高时,____________的________提供向心力。
当内外轨有高度差时,依据规定的速度行驶,______________提供向心力。
汽车过拱形桥：
航天器中的失重现象：
1、向心力分析:宇航员受到的_________与__________________的合力为他提供向心力。_____= 。
2、失重状态:当v=_____时,座舱对宇航员的支持力为零,宇航员处于完全失重状态。
离心运动
1、涵义：物体沿_________飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2.原因:向心力突然消失或_____________提供所需要的向心力。
探究思考
情境1、火车转弯时外轨与内轨的高度一样吗?火车的车轮设计有什么特点?
(1)向心力来源分析：火车速度合适时，火车受重力和支持力作用，火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F＝mgtan θ。
(2)规定速度分析：若火车转弯时只受重力和支持力作用，不受轨道压力，则mgtan θ＝m，可得v0＝。(R为弯道半径，θ为轨道所在平面与水平面的夹角，v0为转弯处的规定速度)
典例1、(多选)在设计水平面内的火车轨道的转弯处时,要设计为外轨高、内轨低的结构,即路基形成一外高、内低的斜坡(如图所示),内、外两铁轨间的高度差在设计上应考虑到铁轨转弯的半径和火车的行驶速度大小。若某转弯处设计为当火车以速率v通过时,内、外两侧铁轨所受轮缘对它们的压力均恰好为零。车轮与铁轨间的摩擦可忽略不计,则下列说法中正确的是 ( BC )
A.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受各力的合力方向沿路基向下
B.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受重力与铁轨对其支持力的合力提供向心力
C.当火车行驶的速率大于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
D.当火车行驶的速率小于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
情景2、“东方-2018”于2018年9月11日在俄罗斯东部的东西伯利亚和远东地区开始。此次军演是俄罗斯史上规模最大的演习,俄罗斯军队携手中国军队联合参与军演。演习中,一辆战车以恒定的速度在起伏不平的路面上行进。
如图所示，汽车分别经过凸形桥和凹形桥，设汽车质量为m，桥面圆弧半径为r，汽车经过桥面最高或最低点的速度为v。
典例2、一座半径为40 m的圆弧形拱形桥。一质量为1.0×103 kg的汽车，行驶到拱形桥顶端时，汽车运动速度为10 m/s；则此时汽车运动的向心加速度为多大？向心力为多大？汽车对桥面的压力是多少？(取g＝10 m/s2)
汽车的向心加速度a＝＝ m/s2＝2.5 m/s2。 汽车所需的向心力F＝ma＝1.0×103×2.5 N＝2.5×103 N。
在桥的最高点，汽车的向心力是由重力和桥的支持力提供，如图所示，根据牛顿第二定律，F＝mg－FN＝ma，则FN＝mg－ma＝1.0×103×(10－2.5)N＝7.5×103 N，根据牛顿第三定律，汽车对桥的压力F压＝FN＝7.5×103 N。
情景3、物体放在水平桌面上,它会对桌面产生压力;如果航天器绕地球做圆周运动,那么航天器中的物体会对航天器产生压力吗?
情景4、圆筒式的拖把几乎是现代家庭中的必备卫生打扫的工具,使用简单、便捷。
(1)在使用的过程中,它能够迅速给拖把脱水,你能够说出其中的原理吗?
(2)物体做离心运动的条件是什么?
1、离心运动的条件:做圆周运动的物体,提供向心力的外力突然消失或者外力不能提供足够大的向心力。
2、
典例3、一质量为2.0×103 kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104 N，当汽车经过半径为80 m的弯道时，下列判断正确的是( D )
A.汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力
B.汽车转弯的速度为20 m/s时所需的向心力为1.4×104 N
C.汽车转弯的速度为20 m/s时汽车会发生侧滑
D.汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0 m/s2
四、课堂检测与练习
1、来自中国铁路总公司的消息,“复兴号”列车已经成功完成时速350公里的相关测试和科学评估,9月21日起在京沪高铁运行。火车转弯时,要求轮缘与内、外轨间都无挤压。要满足火车转弯时的速度尽可能大些,下列说法正确的是(A )
A.内、外轨间的高度差应大些 B.内、外轨间的高度差应小些
C.弯道半径应小些 D.速度大小与弯道半径无关
2、(多选)如图,铁路在弯道处的内、外轨道高低是不同的,已知内、外轨道连线与水平面倾角为θ,弯道处的圆弧半径为R,则关于质量m的火车转弯时的描述,正确的是 ( CB )
A.当速度v=时,火车所需要的向心力为mgsin θ
B.当速度v=时,火车所需要的向心力为mgtan θ
C.当速度v<时,铁轨对火车的支持力大于
D.当速度v<时,铁轨对火车的支持力小于
3、(多选)半径分别为2R和R的两个半圆,分别组成如图甲、乙所示的两个光滑圆弧轨道,一小球先后从同一高度下落,分别从如图甲、乙所示的开口竖直向上的半圆轨道的右侧边缘进入轨道,都沿着轨道内侧运动并能从开口竖直向下的半圆轨道的最高点通过。空气阻力不计。下列说法正确的是 ( BD )
A.图甲中小球对轨道最高点的压力比图乙中小球对轨道最高点的压力大
B.图甲中小球在轨道最高点的角速度比图乙中小球在轨道最高点的角速度小
C.图甲中小球在轨道最低点的向心力比图乙中小球在轨道最低点的向心力小
D.图甲中小球对轨道最低点的压力比图乙中小球对轨道最低点的压力大
4、如图所示,质量m=800 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50 m。当小汽车通过凹形桥面最低点时对桥面的压力为8 400 N,(g取10 m/s2)则:
(1)汽车的运行速率是多少?
(2)若以所求速度行驶,汽车对凸形桥面最高点的压力是多少?
【解析】(1)汽车在最低点受到的支持力最大,此时速度最大,根据牛顿第二定律得:N-mg=m,代入数据得v=5 m/s。
(2)当汽车运动到最高点时,支持力最小,根据牛顿第二定律得:mg-N′=m
代入数据得N′=7 600 N。
答案:(1)5 m/s (2)7 600 N
火车转弯+汽车过拱形桥+离心现象
一、学习目标
1．能定性分析火车转弯时外轨高的原因。
2．能定量分析汽车过拱形桥最高点和凹形桥最低点的压力问题。
3．知道航天器中的失重现象的本质。
4．知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
二、自主阅读反馈
火车转弯：
1、火车车轮的结构特点:火车的车轮上有突出的轮缘,火车行驶时,有轮缘的一侧在轨道内。
作用:有助于固定运动轨迹。
2、火车在弯道上的运动特点:圆周运动,有指向圆心的向心加速度。
3、向心力的来源:当内外轨一样高时,____________的________提供向心力。
当内外轨有高度差时,依据规定的速度行驶,______________提供向心力。
汽车过拱形桥：
航天器中的失重现象：
1、向心力分析:宇航员受到的_________与__________________的合力为他提供向心力。_____= 。
2、失重状态:当v=_____时,座舱对宇航员的支持力为零,宇航员处于完全失重状态。
离心运动
1、涵义：物体沿_________飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2.原因:向心力突然消失或_____________提供所需要的向心力。
探究思考
情境1、火车转弯时外轨与内轨的高度一样吗?火车的车轮设计有什么特点?
(1)向心力来源分析：火车速度合适时，火车受重力和支持力作用，火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小F＝mgtan θ。
(2)规定速度分析：若火车转弯时只受重力和支持力作用，不受轨道压力，则mgtan θ＝m，可得v0＝。(R为弯道半径，θ为轨道所在平面与水平面的夹角，v0为转弯处的规定速度)
典例1、(多选)在设计水平面内的火车轨道的转弯处时,要设计为外轨高、内轨低的结构,即路基形成一外高、内低的斜坡(如图所示),内、外两铁轨间的高度差在设计上应考虑到铁轨转弯的半径和火车的行驶速度大小。若某转弯处设计为当火车以速率v通过时,内、外两侧铁轨所受轮缘对它们的压力均恰好为零。车轮与铁轨间的摩擦可忽略不计,则下列说法中正确的是 ( BC )
A.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受各力的合力方向沿路基向下
B.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受重力与铁轨对其支持力的合力提供向心力
C.当火车行驶的速率大于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
D.当火车行驶的速率小于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
情景2、“东方-2018”于2018年9月11日在俄罗斯东部的东西伯利亚和远东地区开始。此次军演是俄罗斯史上规模最大的演习,俄罗斯军队携手中国军队联合参与军演。演习中,一辆战车以恒定的速度在起伏不平的路面上行进。
如图所示，汽车分别经过凸形桥和凹形桥，设汽车质量为m，桥面圆弧半径为r，汽车经过桥面最高或最低点的速度为v。
典例2、一座半径为40 m的圆弧形拱形桥。一质量为1.0×103 kg的汽车，行驶到拱形桥顶端时，汽车运动速度为10 m/s；则此时汽车运动的向心加速度为多大？向心力为多大？汽车对桥面的压力是多少？(取g＝10 m/s2)
汽车的向心加速度a＝＝ m/s2＝2.5 m/s2。 汽车所需的向心力F＝ma＝1.0×103×2.5 N＝2.5×103 N。
在桥的最高点，汽车的向心力是由重力和桥的支持力提供，如图所示，根据牛顿第二定律，F＝mg－FN＝ma，则FN＝mg－ma＝1.0×103×(10－2.5)N＝7.5×103 N，根据牛顿第三定律，汽车对桥的压力F压＝FN＝7.5×103 N。
情景3、物体放在水平桌面上,它会对桌面产生压力;如果航天器绕地球做圆周运动,那么航天器中的物体会对航天器产生压力吗?
情景4、圆筒式的拖把几乎是现代家庭中的必备卫生打扫的工具,使用简单、便捷。
(1)在使用的过程中,它能够迅速给拖把脱水,你能够说出其中的原理吗?
(2)物体做离心运动的条件是什么?
1、离心运动的条件:做圆周运动的物体,提供向心力的外力突然消失或者外力不能提供足够大的向心力。
2、
典例3、一质量为2.0×103 kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104 N，当汽车经过半径为80 m的弯道时，下列判断正确的是( D )
A.汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力
B.汽车转弯的速度为20 m/s时所需的向心力为1.4×104 N
C.汽车转弯的速度为20 m/s时汽车会发生侧滑
D.汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0 m/s2
四、课堂检测与练习
1、来自中国铁路总公司的消息,“复兴号”列车已经成功完成时速350公里的相关测试和科学评估,9月21日起在京沪高铁运行。火车转弯时,要求轮缘与内、外轨间都无挤压。要满足火车转弯时的速度尽可能大些,下列说法正确的是(A )
A.内、外轨间的高度差应大些 B.内、外轨间的高度差应小些
C.弯道半径应小些 D.速度大小与弯道半径无关
2、(多选)如图,铁路在弯道处的内、外轨道高低是不同的,已知内、外轨道连线与水平面倾角为θ,弯道处的圆弧半径为R,则关于质量m的火车转弯时的描述,正确的是 ( CB )
A.当速度v=时,火车所需要的向心力为mgsin θ
B.当速度v=时,火车所需要的向心力为mgtan θ
C.当速度v<时,铁轨对火车的支持力大于
D.当速度v<时,铁轨对火车的支持力小于
3、(多选)半径分别为2R和R的两个半圆,分别组成如图甲、乙所示的两个光滑圆弧轨道,一小球先后从同一高度下落,分别从如图甲、乙所示的开口竖直向上的半圆轨道的右侧边缘进入轨道,都沿着轨道内侧运动并能从开口竖直向下的半圆轨道的最高点通过。空气阻力不计。下列说法正确的是 ( BD )
A.图甲中小球对轨道最高点的压力比图乙中小球对轨道最高点的压力大
B.图甲中小球在轨道最高点的角速度比图乙中小球在轨道最高点的角速度小
C.图甲中小球在轨道最低点的向心力比图乙中小球在轨道最低点的向心力小
D.图甲中小球对轨道最低点的压力比图乙中小球对轨道最低点的压力大
4、如图所示,质量m=800 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50 m。当小汽车通过凹形桥面最低点时对桥面的压力为8 400 N,(g取10 m/s2)则:
(1)汽车的运行速率是多少?
(2)若以所求速度行驶,汽车对凸形桥面最高点的压力是多少?
【解析】(1)汽车在最低点受到的支持力最大,此时速度最大,根据牛顿第二定律得:N-mg=m,代入数据得v=5 m/s。
(2)当汽车运动到最高点时,支持力最小,根据牛顿第二定律得:mg-N′=m
代入数据得N′=7 600 N。
答案:(1)5 m/s (2)7 600 N