6.4生活中的圆周运动—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册课件31 张PPT

6.4 生活中的圆周运动
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。你能解释其中的原因么？
一、火车转弯
（1）此时火车车轮受三个力：重力、支持力、外轨对轮缘的弹力。
（2）外轨对轮缘的弹力提供向心力。
（3）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，易损害铁轨。
火车受力情况：
重力、支持力
合力提供向心力
从这个例子我们再一次看出， 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。如果认为做匀速圆周运动的物体除了受到另外物体的作用，还要再受一个向心力，那就不对了。
思考：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。解释一下原因？
二、汽车过拱形桥
在各种公路上拱形桥是常见的，质量为m的汽车在拱桥上以速度v前进，桥面的圆弧半径为R，分析汽车通过桥的最高点时对桥面的压力。
此时汽车处于失重状态，且随着v的增大车对桥压力逐渐减小。
1、当汽车在桥面上运动到最高点时，重力G和桥的支持力N在一条直线上，它们的合力是使汽车做圆周运动的向心力F向。
2、动力学关系：
F向=G－N=mv2/R
3、压力小于重力是什么现象？
4、汽车速度达到多少时，车对桥压力恰好为零？
V=
????????
?
由N=mg-mv2/R=0得：
由牛顿第三定律可知，车对桥的压力:N'=N< G
桥对车的支持力：N＝G－mv2/R
分析：
汽车过凹形桥(这种类型生活中很少)
1、当汽车在桥面上运动到最低点时，重力G和桥的支持力N在一条直线上，它们的合力是使汽车做圆周运动的向心力F向。
2、动力学关系：
F向=N － G=mv2/R
3、汽车过凹形桥时，车对桥的压力大于自身重力。此时汽车处于超重状态。
桥对车的支持力：N＝G+mv2/R＞G
由牛顿第三定律可知，车对桥的
压力: N'= N＞G
练习
1. 一辆卡车在丘陵地匀速行驶，地形如图所示，由于轮胎太旧，途中爆胎，爆胎可能性最大的地段应是( )
A. a处B. b处C. c处D. d处
D
2.如图所示，汽车以一定的速度经过一个圆弧形桥面的顶点时，关于汽车的受力及汽车对桥面的压力情况，以下说法正确的是( )
A.在竖直方向汽车受到三个力:重力、桥面的支持力和向心力
B.在竖直方向汽车只受两个力:重力和桥面的支持力
C.汽车对桥面的压力小于汽车的重力
D.汽车对桥面的压力大于汽车的重力
BC
三、航天器中的失重现象
假设宇宙飞船总质量为M，它在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动，其轨道半径近似等于地球半径r，航天员质量为m，宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于它们在地面上的重力mg。试求座椅对宇航员的支持力以及支持力为零时飞船的速度多大？通过求解，你可以判断此时的宇航员处于什么状态（超重或失重）
对于宇航员受力分析：
支持力，引力近似等于重力

Mg-FN=mv2/r
FN=m(g-v2/r)
当FN=0 v=Rg 处于完全失重状态
?
思考：为什么列车的脱轨、翻车事故易出现在拐弯处呢？
1、这些车子出事故时的侧滑或翻滚方向都有什么样的共同特点？
做圆周运动的物体，由于本身的惯性，总是沿着圆周切线方向飞去的倾向。
Fn=0时，物体沿切线方向飞出
四、离心运动
除了向心力消失，在合力不足以提供所需的向心力时，物体虽然不会沿切线飞出去，也会逐渐远离圆心
离心运动：做圆周运动的物体，在提供的向心力突然消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远离圆心的运动。
学习就像杯中酒，会喝的人是享受，不会喝的人是受罪，喝的人不同，各种滋味亦不同。
思考问题
Fn= F需向 做什么运动 Fn=0 做什么运动 FnF需向 做什么运动
圆周
切线
离心
近心
2、物体做离心运动的条件：Fn离心运动的应用
离心运动的防止
（1）在水平公路上行驶的汽车转弯时在水平公路上行驶的汽车，转弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的。如果转弯时速度过大，所需向心力F大于最大静摩擦力Fmax,汽车将做离心运动而造成交通事故。因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度。
（2）高速转动的砂轮、飞轮等高速转动的砂轮、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。
课堂小结
一.铁路的弯道
1.向心力的来源: A外轨高于内轨时，重力与支持力的合力是使火车转弯的向心力B轮缘。
2.转弯处的半径和火车运行速度的条件限制。
火车转弯规定: V临界=√Rg tana
v过大时:外侧轨道与轮之间有弹力
v过小时:内侧轨道与轮之间有弹力
二.拱形桥1.汽车过拱形桥时，对桥面的压力与重力比较。2.圆周运动中的超重、失重情况。
三.航天器中的失重现象重力提供自身做圆周运动向心力
四.离心运动1.离心现象的分析与讨论。
2.离心运动的应用和防止。
处理圆周运动问题的基本思路:
（1）找到圆周运动的圆平面，确定圆心找到半径
（2）受力分析，找到向心力的来源;
（3）利用向心力公式Fn=ma列方程求解
实质是牛顿第二定律在圆周运动中的应用只不过这里的加速度是向心加速度
类型一
轻绳牵拉型（轻绳模型）
质点在细绳作用下在竖直面内做圆周运动
知识拓展（非匀速圆周运动）
临界问题的探究
T
mg
T
mg
过最高点的最小速度是多大?
O
B
物体沿圆的内轨道运动(单轨道模型)
A
C
D
mg
N
mg
N
N
A
类型二
轻杆支撑型（轻杆模型）
质点被一轻杆拉着在竖直面内做圆周运动
T
mg
小球经过最低点的时候杆对小球的拉力为多少?
过最高点的最小速度是多大?
V=0
R
过最高点的速度VO为多大时?杆对球的作用力消失
F
mg
质点在竖直放置的光滑细管内做圆周运动，解题方法和轻杆模型一样！
物体在圆管内运动(双轨道模型)
（1）V=0是小球是否过最高点的临界条件。
总结：
【例题2】用一轻杆拴着质量为m的物体,在竖直平面内做圆周运动,则下列说法正确的是（ ）
A.小球过最高点时,杆子的张力可以为零
B.小球过最高点时的最小速度为零
C.小球刚好过最高点是的速度是
D.小球过最高点时,杆子对小球的作用力可以与球所受的重力方向相反
R
ABD
【例题3】长度为0.5m的轻质细杆，A端有一质量为3kg的小球，以O点为圆心，在竖直平面内做圆周运动，如图所示，小球通过最高点时的速度为2m/s，取g=10m/s2，则此时轻杆OA将（ ）
A．受到6.0N的拉力
B．受到6.0N的压力
C．受到24N的拉力
D．受到54N的拉力
B