高中物理 第2章 研究圆周运动 2_3 圆周运动的案例分析课件 沪科版必修2

第2章 2 3圆周运动的案例分析 学习目标1 通过向心力的实例分析 体会匀速圆周运动在生活 生产中的应用 2 能应用向心力和向心加速度公式分析过山车问题和火车转弯问题 3 熟练掌握应用牛顿第二定律和向心力知识分析两类竖直面内圆周运动模型的步骤和方法 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 一 过山车问题1 向心力 过山车到轨道顶部A时 如图1所示 人与车作为一个整体 所受到的向心力是跟轨道对车的的合力 即F向 如图所示 过山车在最低点B 向心力F向 图1 N1 mg 重力mg 弹力N N mg 2 临界速度 当N 0时 过山车通过圆形轨道顶部时的速度最小 v临界 1 v v临界时 重力恰好等于过山车做圆周运动的向心力 车不会 轨道 2 vv临界时 和的合力提供向心力 车子不会掉下来 脱离 小于 弹力 重力 二 运动物体的转弯问题1 自行车在水平路面转弯 地面对车的作用力与的合力提供转弯所需的向心力 2 汽车在水平路面转弯 所受提供转弯所需的向心力 3 火车转弯时外轨内轨 如图2所示 向心力由和的合力提供 图2 重力 静摩擦力 高于 支持力 重力 1 判断下列说法的正误 1 汽车在水平路面上正常转弯时所需要的向心力是滑动摩擦力提供的 2 火车转弯时 内 外轨道一样高 3 若铁路弯道的内外轨一样高 火车通过弯道时向心力的来源是外轨的水平弹力 所以外轨容易磨损 4 汽车行驶至凸形桥顶部时 对桥面的压力等于车重 5 汽车行驶至凹形桥底部时 对桥面的压力大于车重 6 绕地球做匀速圆周运动的航天器中的宇航员处于完全失重状态 故不再具有重力 2 飞机由俯冲转为拉起的一段轨迹可看成一段圆弧 如图3所示 飞机做俯冲拉起运动时 在最低点附近做半径为r 180m的圆周运动 如果飞行员质量m 70kg 飞机经过最低点P时的速度v 360km h 则这时飞行员对座椅的压力是 g取10m s2 4589N 解析飞机经过最低点时 v 360km h 100m s 对飞行员进行受力分析 飞行员在竖直面内共受到重力G和座椅的支持力N两个力的作用 由牛顿第三定律得 飞行员对座椅的压力为4589N 图3 答案 解析 重点知识探究 一 分析游乐场中的圆周运动 如图4所示 过山车能从高高的圆形轨道顶部轰然而过 车却不掉下来 这是为什么呢 是因为过山车的车轮镶嵌在轨道的槽内 人被安全带固定的原因吗 答案当过山车在最高点的速度大于时 重力和轨道对车向下的弹力提供向心力 所以车不会掉下来 与其它因素无关 答案 图4 竖直平面内的 绳杆模型 的临界问题1 轻绳模型 如图5所示 1 绳 内轨道 施力特点 只能施加向下的拉力 或压力 图5 2 轻杆模型 如图6所示 1 杆 双轨道 施力特点 既能施加向下的拉力 或压力 也能施加向上的支持力 2 在最高点的动力学方程 当v 0时 mg N 球恰好能到达最高点 3 杆类的临界速度为v临界 0 图6 例1公园里的过山车驶过最高点时 乘客在座椅里面头朝下 若轨道半径为R 人的质量为m 1 若过山车安全通过最高点 必须至少具备多大的速度 解析人恰好通过最高点时 座椅对人的压力为零 答案 解析 2 若过最高点时人对座椅的压力为2mg 则过山车在最高点时的速度是多大 解析若人对座椅的压力N 2mg 在最高点人受座椅向下的弹力和重力 两个力的合力提供向心力 有 答案 解析 答案 解析 图7 解析以小球为研究对象 小球受重力和沿杆方向杆的弹力 设小球所受弹力方向竖直向下 二 研究运动物体转弯时的向心力 设火车转弯时的运动为匀速圆周运动 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 答案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 如图甲 由于火车的质量太大 轮缘与外轨间的相互作用力太大 会使铁轨和车轮极易受损 答案 2 实际上在铁路的弯道处外轨略高于内轨 试从向心力的来源分析这样做有怎样的优点 答案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N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 如图乙 从而减轻轮缘与外轨的挤压 答案 3 当轨道平面与水平面之间的夹角为 转弯半径为R时 火车行驶速度多大轨道才不受挤压 答案火车受力如图丙所示 答案 答案 3 火车转弯 1 向心力来源 在铁路的弯道处 外轨高于内轨 火车在此处依据规定的速度行驶 转弯时 向心力几乎完全由重力G和支持力N的合力提供 如图8所示 即F mgtan 图8 当v v0时 F向 F 即转弯时所需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 当v v0时 F向 F 即所需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 以弥补向心力不足的部分 当v v0时 F向 F 即所需向心力小于支持力和重力的合力 这时内轨对车轮有侧压力 以抵消向心力过大的部分 说明 火车转弯时受力情况和运动特点与圆锥摆类似 答案 解析 图9 此时火车受重力和铁路轨道的支持力作用 如图所示 Ncos mg 答案 解析 例4 多选 公路急转弯处通常是交通事故多发地带 如图10 某公路急转弯处是一圆弧 当汽车行驶的速率为v0时 汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势 则在该弯道处A 路面外侧高 内侧低B 车速只要低于v0 车辆便会向内侧滑动C 车速虽然高于v0 但只要不超出某一最高限度 车辆便不会向外侧滑动D 当路面结冰时 与未结冰时相比 v0的值变小 图10 解析当汽车行驶的速率为v0时 汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势 即不受静摩擦力 此时由重力和支持力的合力提供向心力 所以路面外侧高 内侧低 选项A正确 当车速低于v0时 需要的向心力小于重力和支持力的合力 汽车有向内侧运动的趋势 受到的静摩擦力向外侧 并不一定会向内侧滑动 选项B错误 当车速高于v0时 需要的向心力大于重力和支持力的合力 汽车有向外侧运动的趋势 静摩擦力向内侧 速度越大 静摩擦力越大 只有静摩擦力达到最大以后 车辆才会向外侧滑动 选项C正确 火车转弯的 或高速公路上汽车转弯的 圆轨道是水平轨道 所以合力的方向水平指向圆心 解决此类问题的关键是分析清楚向心力的来源 当堂达标检测 1 轻杆模型 多选 如图11所示 细杆的一端与小球相连 可绕过O点的水平轴自由转动 细杆长0 5m 小球质量为3kg 现给小球一初速度使它做圆周运动 若小球通过轨道最低点a的速度为va 4m s 通过轨道最高点b的速度为vb 2m s 取g 10m s2 则小球通过最低点和最高点时对细杆作用力的情况是A 在a处为拉力 方向竖直向下 大小为126NB 在a处为压力 方向竖直向上 大小为126NC 在b处为拉力 方向竖直向上 大小为6ND 在b处为压力 方向竖直向下 大小为6N 1 2 3 4 答案 解析 图11 1 2 3 4 2 轻绳模型 杂技演员表演 水流星 在长为1 6m的细绳的一端 系一个与水的总质量为m 0 5kg的盛水容器 以绳的另一端为圆心 在竖直平面内做圆周运动 如图12所示 若 水流星 通过最高点时的速率为4m s 则下列说法正确的是 g 10m s2 A 水流星 通过最高点时 有水从容器中流出B 水流星 通过最高点时 绳的张力及容器底部受到的压力均为零C 水流星 通过最高点时 处于完全失重状态 不受力的作用D 水流星 通过最高点时 绳子的拉力大小为5N 1 2 3 4 答案 解析 图12 解析水流星在最高点的临界速度v临界 4m s 由此知绳的拉力恰为零 且水恰不流出 故选B 1 2 3 4 3 球在管形轨道中的运动 多选 如图13所示 小球m在竖直放置的光滑的圆形管道内做圆周运动 下列说法正确的是 1 2 3 4 A 小球通过最高点时的最小速度是B 小球通过最高点时的最小速度为零C 小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定无作用力D 小球在水平线ab以下的管道中运动时外侧管壁对小球一定有作用力 图13 解析小球通过最高点的最小速度为0 圆形管外侧 内侧都可以对小球提供弹力 小球在水平线ab以下时 必须有指向圆心的力提供向心力 就是外侧管壁对小球的作用力 故B D正确 答案 解析 4 竖直面内的圆周运动 如图14所示 某兴趣小组设计了一个滚筒式炒栗子机器 滚筒内表面粗糙 内直径为D