【与名师对话】高考物理总复习 第四章 第三讲 圆周运动课件 新人教版必修2 .ppt

对应学生用书p66 一 匀速圆周运动 角速度 线速度 向心加速度 1 描述圆周运动的物理量常用的有 线速度 角速度 周期 转速 向心加速度等 具体比较见下表 提示 两式都不是向心加速度的决定式 只是用来计算大小的计算式 应描述在v一定时 a与r成反比 在 一定时 a与r成正比 问题探究2为什么说匀速圆周运动并不匀速 提示 匀速圆周运动只是速度大小不变 而速度方向时刻变化 故为变速运动 三 离心现象 离心运动1 本质 做圆周运动的物体 由于本身的惯性 总有沿着圆周切线方向飞出去的倾向 2 受力特点 如右图所示 1 当f mr 2时 物体做匀速圆周运动 2 当f 0时 物体沿切线方向飞出 3 当fmr 2时 物体逐渐向圆心靠近 1 物体做离心运动不是物体受到所谓离心力作用 而是物体惯性的表现 2 物体做离心运动时 并非沿半径方向飞出 而是运动半径越来越大或沿切线方向飞出 对应学生用书p66 要点一向心力的来源及确定方法1 向心力的来源向心力是按力的作用效果命名的 可以是重力 弹力 摩擦力 磁场力或电场力等各种力 也可以是几个力的合力或某一个力的分力 因此在受力分析中要避免再另外添加一个 向心力 2 向心力的确定首先确定圆周运动的轨道所在的平面 其次找出轨道圆心的位置 然后分析做圆周运动的物体所受的力 并作出受力图 最后找出这些力指向圆心的合力就是向心力 例如 沿半球形碗的光滑内表面 一小球在水平面上做匀速圆周运动 如右图所示 小球做圆周运动的圆心在与小球同一水平面上的o 点 不在球心o 也不在弹力fn所指的po线上 圆周运动的向心力一定是沿半径指向圆心的合外力 若沿切线方向合力等于零 则物体做匀速圆周运动 否则 物体做非匀速圆周运动 如右图所示 一小球用细绳悬挂于o点 将其拉离竖直位置一个角度后释放 则小球以o点为圆心做圆周运动 运动中小球所需的向心力是 a 绳的拉力b 重力和绳的拉力的合力c 重力和绳的拉力的合力沿绳方向的分力d 绳的拉力和重力沿绳方向分力的合力 解析 分析向心力来源时就沿着半径方向求合力即可 注意作出正确的受力分析图 如下图所示 对小球进行受力分析 它受到重力和绳子的拉力作用 向心力是指向圆心方向的合力 因此 它可以是小球所受合力沿绳方向的分力 也可以是各力沿绳方向的分力的合力 答案 cd 采用齿轮传动时 两轮边沿的线速度大小相等 齿数与半径成正比 角速度与齿数成反比 答案 a 要点三生活中的圆周运动1 火车转弯问题在平直轨道上匀速行驶的火车 所受合力为零 在火车转弯时 什么力提供向心力呢 在火车转弯处 让外轨高于内轨 如右图所示 转弯时所需向心力由重力和弹力的合力提供 若轨道水平 转弯时所需向心力应由外轨对车轮的挤压力提供 而这样对车轨会造成损坏 车速大时 容易出事故 设车轨间距为l 两轨高度差为h 车转弯半径为r 质量为m的火车运行时应当有多大的速度 由于铁轨建成后h l r各量都是确定的 故火车转弯时的车速应是一个定值 否则将对铁轨有不利影响 如 2 静摩擦力作用下的圆周运动静摩擦力的特点是根据物体运动改变大小 变换方向 有人把静摩擦力的这一特点称为 适应性 由于静摩擦力这一特点的存在导致在许多问题中出现了临界问题 处理这类问题的关键是分析出静摩擦力的变化 从而结合其他力分析出向心力的变化 以确定圆周运动的其他物理量的变化 在用高级沥青铺设的高速公路上 汽车的设计时速是108km h 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为车重的0 6倍 取g 10m s2 试问 汽车在这种高速公路的水平弯道上安全拐弯时 其弯道的最小半径是多少 答案 150m 对应学生用书p67 题型一圆周运动的动力学问题圆周运动的动力学问题 本质仍是研究力和运动的关系 是牛顿定律在曲线运动中的应用 圆周运动的动力学问题 关键是分析向心力的来源 即由什么力来充当向心力这个角色 在不同问题中不同 需要具体分析 但要注意无论是匀速圆周运动 还是非匀速圆周运动 向心力和向心加速度关系仍符合牛顿第二定律 即 解决圆周运动问题的主要步骤 1 审清题意 确定研究对象 2 分析物体的运动情况 即物体的线速度 角速度 周期 轨道平面 圆心 半径等 3 分析物体的受力情况 画出受力示意图 确定向心力的来源 4 根据牛顿运动定律及向心力公式列方程 当采用正交分解法时 常常以做圆周运动的物体为坐标原点 一个坐标轴沿半径指向圆心 5 求解 讨论 例1如图所示 一个竖直放置的圆锥筒可绕其中心轴oo 转动 筒内壁粗糙 筒口半径和筒高分别为r和h 筒内壁a点的高度为筒高的一半 内壁上有一质量为m的小物块 求 1 当筒不转动时 物块静止在筒壁a点受到的摩擦力和支持力的大小 2 当物块在a点随筒匀速转动 且其受到的摩擦力为零时 筒转动的角速度 思路诱导 对物块进行受力分析 分别根据共点力平衡和圆周运动所需向心力利用正交分解列方程求解 尝试解答 1 物块静止时 对物块进行受力分析如右图所示 设筒壁与水平面的夹角为 解答有关圆周运动问题时 首先必须做好关键的几步 1 对研究对象受力分析 确定好向心力的来源 2 确定圆周运动的轨迹和半径 3 应用相关的力学规律列方程求解 2011 湖南南县一中第二次月考 如右图所示 轻线一端系一质量为m的小球 另一端穿过光滑小孔套在正下方的图钉a上 此时小球在光滑的水平平台上做半径为a 角速度为 的匀速圆周运动 现拔掉图钉a让小球飞出 此后细绳又被a正上方距a高为h的图钉b套住 达稳定后 小球又在平台上做匀速圆周运动 求 1 图钉a拔掉前 轻线对小球的拉力大小 2 从拔掉图钉a到被图钉b套住前小球做什么运动 所用的时间为多少 3 小球最后做圆周运动的角速度 题型二竖直平面内圆周运动的临界问题竖直平面内的变速圆周运动 经常出现临界状态 变速圆周运动的临界问题仍是研究动力学问题 物体是做圆周运动 还是做近心运动 还是离心运动 取决于物体所受的外力f 我们可以称其为所提供的向心力f供 与物体做圆周运动的质量与向心加速度的积man 我们可称其为所需的向心力f需 的关系如何 如果f供 f需 供大于求 则物体做近心运动 如果f供 f需 供求相当 则物体恰能做圆周运动 f供 f需 供不应求 则物体做离心运动 此类问题多以讨论最高点时的情况 下面具体分析几种情况 在判断盒子对小球的作用力的大小和方向时 可以首先做出假设 然后应用牛顿第二定律列式求解 最后根据结果的符号判断力的真实方向 如右图所示 长度l 0 50m的轻质杆oa a端固定一个质量为m 3 0kg的小球 小球以o为圆心在竖直平面内做圆周运动 通过最高点时小球的速率是2 0m s g取10m s2 则此时轻杆oa 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的压力 答案 b 题型三水平面上圆周运动的临界问题建议在有临界问题存在的或不知是否出现临界问题时 先假定物体以较小的转速运动 分析各力的变化 或在已知速度如何变化 确定需要的向心力如何变化 的同时 分析外界实际提供的向心力如何变化 通过分析即可确定临界条件 总之 在分析圆周运动问题时 一边考虑提供的向心力如何变 一边考虑需要的向心力如何变化 把思维的关注点放在 变化 二字上 再复杂的圆周运动问题都可迎刃而解 例3 18分 2011 豫南九校联考 如图甲所示 用一根长为l 1m的细线 一端系一质量为m 1kg的小球 可视为质点 另一端固定在一光滑锥体顶端 锥面与竖直方向的夹角 37 当小球在水平面内绕锥体的轴做匀速圆周运动的角速度为 时 细线和张力为t 取g 10m s2 结果可用根式表示 求 1 若要小球离开锥面 则小球的角速度 0至少为多大 2 若细线与竖直方向的夹角为60 则小球的角速度 为多大 3 细线的张力t与小球匀速转动的角速度 有关 请在如图乙所示的坐标纸上画出当 的取值范围在0到 之间时的t 2图像 要求标明关键点的坐标值 思路诱导 由题意知 小球的角速度的变化是引起细线张力变化的罪魁祸首 因此要对小球的运动进行分段讨论 而分段讨论时找到各个分段的临界值是解题的关键 答案 bc 对应学生用书p69 易错点1 不能建立匀速圆周运动的模型质量为m的飞机以恒定速率v在空中水平盘旋 如图所示 其做匀速圆周运动的半径为r 重力加速度为g 则此时空气对飞机的作用力大小为 圆周运动的分析是牛顿第二定律运用的进一步延伸 在分析时要从两方面展开 分析受力情况 选择指向圆心方向为正方向 在指向圆心方向上求合外力 分析运动情况 看物体做哪种性质的圆周运动 匀速圆周运动还是变速圆周运动 确定圆心和半径 然后将牛顿第二定律和向心力公式相结合列方程求解 此外要注意建立和整合模型 如本题与火车转弯 高速路上的汽车转弯 在漏斗形容器内物体的运动等都属于圆锥摆模型 同属于水平面内的匀速圆周运动 为确保行车安全 在高速公路的不同路段都会竖有限速指示牌 若有一段直行连接弯道的路段 其弯道半径r为60m 弯道路面的倾斜角度 为5 最大静摩擦力为压力的 0 37倍 假定直行路段的限速为120km h 限速指示牌的可见视野为100m 驾驶员的操作反应时间为2s 为保持平衡减速 限定最大减速加速度为2 5m s2 已知tan5 0 087 g 10m s2 试计算 1 指示牌应标注的限速 2 至少应该在弯道前多少距离处设置限速指示牌 答案 1 60km h 2 133m 易错点2 忽视临界条件或对向心力来源分析不充分如图所示 小球被长为l的细绳静止地悬挂着 给小球多大的水平初速度 才能使绳在小球运动过程中始终绷紧 如右图所示 在倾角为 30 的光滑斜面上 有一根长为l 0 8m的细绳 一端固定在o点 另一端系一质量为m 0 2kg的小球 沿斜面做圆周运动 g取10m s2 试计算 1 小球通过最高点a的最小速度 2 若细绳的拉力为fmax 10n 小球在最低点b的最大速度是多少 答案 1 2m s 2 6m s 对应学生用书p70 1 将一枚硬币放在唱片上匀速转动时 硬币与唱片保持相对静止 关于硬币的受力情况 下列说法正确的是 a 硬币受静摩擦力 向心力 共两个力b 硬币受重力 支持力 静摩擦力 共三个力c 硬币受重力 支持力 指向圆心的静摩擦力 切线方向的静摩擦力 共四个力d 硬币受重力 支持力 静摩擦力 向心力 共四个力 答案 b 2 2011 江西名校联考 自行车的小齿轮a 大齿轮b 后轮c是相互关联的三个转动部分 且半径rb 4ra