5.7生活中的圆周运动—2020-2021学年人教版高中物理必修二课件

5.7 生活中的圆周运动
人教版 高中物理必修二
第五章曲线运动
一、火车转弯问题
如图所示,火车转弯时的运动是圆周运动,分析火车的运动并回答下列问题。
一、火车转弯问题
1.如果轨道是水平的,火车转弯时受到哪些力的作用?需要的向心力由谁来提供?
2.第1问中获得向心力的方法好不好?为什么?若不好,如何改进?
3.当轨道平面与水平面之间的夹角为α,转弯半径为R时,火车行驶速度多大轨道才不受挤压?
解答:轨道水平时,火车受重力、支持力、轨道对轮缘的弹力、向后的摩擦力,向心力由轨道对轮缘的弹力来提供。
解答:这种方法不好,因为火车的质量很大,行驶的速度也不小,轮缘与外轨的相互作用力很大,轨道会受到损坏。改进方法:在转弯处使外轨略高于内轨,重力和支持力的合力提供向心力,这样外轨就不受轮缘的挤压了。
铁路转弯处的圆弧半径为R,内侧和外侧的高度差为h,L为两轨间的距离,且L?h,如果列车转弯速率大于,则(　　)。
A.外侧铁轨与轮缘间产生挤压
B.铁轨与轮缘间无挤压
C.内侧铁轨与轮缘间产生挤压
D.内外铁轨与轮缘间均有挤压
A　
一、火车转弯问题
火车转弯时需要以规定的速度行驶,实际上是为了行车的安全考虑。 (1)当v=v限时,F向=F,即转弯时所需的向心力等于支持力和重力的合力,这时内、外轨均无侧压力,这就是设计的限速状态。 (2)当v>v限时,F向>F,即所需的向心力大于支持力和重力的合力,这时外轨对车轮有侧压力,以弥补向心力的不足部分。 (3)当v二、汽车过桥问题
中国人逢山开路,遇水搭桥,建立了便捷的公路交通网络。桥梁是交通体系中必不可少的组成部分,图片中为我们呈现了拱形桥、凹形桥,还有平直的桥。
二、汽车过桥问题
如图所示，在某次军事演习中，一辆战车以恒定的速度在起伏不平的路面上行进，战车在哪一点对路面的压力最大？在哪一点对路面的压力最小呢？
提示：战车在B点时对路面的压力最大，在A点时对路面压力最小。
二、汽车过桥问题
关于汽车过桥问题，用图表概括如下：
二、汽车过桥问题
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}内容项目
汽车过凸形桥
汽车过凹形桥
以向心力方向为正方向
mg－FN＝m　FN＝mg－m
FN－mg＝m　FN＝mg＋m
牛顿第三定律
F压＝FN＝mg－m
F压＝FN＝mg＋m
讨论
v增大，F压减小；当v增大到时，F压＝0
v增大，F压增大
如图所示,质量m=2.0×104 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20 m。如果桥面承受的压力不得超过3.0×105 N,则:(g取10 m/s2)
(1)汽车允许的最大速度是多少?
(2)若以允许的最大速度行驶,汽车对桥面的最小压力是多少?
(1)10 m/s　(2)1.0×105 N
二、汽车过桥问题
①汽车通过拱形桥面最高点处的受力情况如图甲所示,汽车受到的支持力小于重力,竖直方向合力向下;汽车通过凹形路面最低点处的受力如图乙所示,汽车受到的支持力大于重力,竖直方向合力向上。
②乘坐汽车通过拱形桥最高点时有失重的感觉,通过凹形路面最低点有超重的感觉。
③汽车经过拱形桥最高点时,汽车对桥面的压力小于汽车的自重;汽车经过凹形桥的最低点时,汽车对桥面的压力大于汽车的自重。这也是为什么我们桥梁设计时以拱形桥为主。
三、航天器中的失重现象
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6400 km)。地面上有一辆汽车,所受重力G=mg,地面对它的支持力是FN。汽车沿南北方向行驶,不断加速。
三、航天器中的失重现象
1.当汽车速度越来越大时,地面的支持力会发生怎样的变化?有没有可能汽车的速度达到某一值时,地面对汽车的支持力FN为零?这时汽车速度将达到多少呢?
解析：重力与地面的支持力的合力提供汽车所需的向心力,由牛顿第二定律可知,随着汽车速度的增大,地面的支持力FN将减小。
2.当汽车受到地面的支持力为零时,汽车中的驾驶员所受到汽车的支持力又会怎样呢?
三、航天器中的失重现象
3.低轨道的宇宙飞船距离地面的高度为一二百千米,其绕地球做匀速圆周运动的轨道半径是否可以近似看作等于地球半径R?航天员在飞船中是否受到重力和飞船的支持力?
解答:低轨道的宇宙飞船距离地面高度相对于地球半径来说很小,在粗略的计算中,其绕地球做匀速圆周运动的轨道半径可以近似看作等于地球的半径R,这样的宇宙飞船与前面讲到的以v=8×103 m/s的速度行驶的汽车类似,航天员在飞船中受到的重力与在地面上的相同,但恰好提供其绕地球做匀速圆周运动所需的向心力,故飞船对航天员的支持力为零,此时航天员处于完全失重状态。
三、航天器的失重现象
?
?
(多选)航天飞机在围绕地球做匀速圆周运动的过程中,关于航天员,下列说法中正确的是(　　)。
A.航天员受到的重力消失了
B.航天员仍受重力作用,重力提供其做匀速圆周运动的向心力
C.航天员处于超重状态
D.航天员对座椅的压力为零
BD
解析　在围绕地球做匀速圆周运动的航天飞机中,航天员处于失重状态,由重力提供向心力,其对座椅的压力为零,但重力并没有消失。
四、离心运动
在高速转弯段常看到限速标志。生活中我们用到的洗衣机可以脱水。
四、离心运动
1.汽车拐弯时需要限速,如果速度过大,会出现什么现象?为什么?
解答：速度过大,汽车运行轨迹会偏离行驶的方向向外侧滑动,这是因为摩擦力不够大。
2.在甩干桶模型中,放入一些沾满水的餐巾纸,用来模拟衣服,启动转动装置,让它转起来,观察发生的现象,水滴在甩出来之前做圆周运动的向心力由谁提供?随着转速的加大,提供的力和需要的向心力之间会发生什么变化?
解答：水滴在甩出来之前的向心力由衣服和水之间的作用力提供,随着转速增大,需要的向心力逐渐增大,一旦超过衣服和水之间的作用力的极大值,衣服和水就要分离,水就从甩干桶的缝隙飞出。
四、离心运动
1.汽车拐弯时需要限速,如果速度过大,会出现什么现象?为什么?
解答：速度过,汽车运行轨迹会偏离行驶的方向向外侧滑动,这是因为摩擦力不够大。
2.在甩干桶模型中,放入一些沾满水的餐巾纸,用来模拟衣服,启动转动装置,让它转起来,观察发生的现象,水滴在甩出来之前做圆周运动的向心力由谁提供?随着转速的加大,提供的力和需要的向心力之间会发生什么变化?
解答：水滴在甩出来之前的向心力由衣服和水之间的作用力提供,随着转速增大,需要的向心力逐渐增大,一旦超过衣服和水之间的作用力的极大值,衣服和水就要分离,水就从甩干桶的缝隙飞出。
四、离心运动
(1)定义:物体做圆周运动时,一旦向心力　　　　或　　　　不足以提供物体所需的向心力,物体就沿切线方向飞出或做逐渐远离圆心的运动。 (2)合力与向心力的关系对圆周运动的影响 若F合=mω2r,物体做　　　 　运动。 若F合mω2r,物体做　　　　运动。 若F合=0,物体沿　　　　方向飞出。 (3)离心运动的应用和防止 a.应用:离心干燥器、洗衣机的脱水筒、离心制管技术。 b.防止:汽车在公路转弯处必须限速行驶、转动的砂轮(或飞轮)的转速不能太高。
消失
合力
匀速圆周
离心
近心
切线
如图所示,光滑水平面上,小球m在拉力F作用下做匀速圆周运动.若小球运动到P点时,拉力F突然消失,关于小球运动情况的说法正确的是(　　)
A.小球在离心力的作用下将沿轨迹Pa做离心运动
B.小球在离心力的作用下将沿轨迹Pb做离心运动
C.小球在离心力的作用下将沿轨迹Pc做离心运动
D.小球将沿轨迹Pa做离心运动,但并不受离心力的作用
D
知识回顾
课后作业：
完成第五章第七节相关练习
预习第六章第一节相关知识