《圆周运动》教案1

圆周运动圆周运动 教案教案 教学目标 教学目标 1 圆周运动的临界问题圆周运动的临界问题 2 质点做匀速圆周运动质点做匀速圆周运动 与与 物体绕固定轴做匀速转动物体绕固定轴做匀速转动 的区别与联系的区别与联系 3 求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围 重重 点 点 圆周运动的临界问题圆周运动的临界问题 难难 点 点 求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围 知识简析知识简析 一 圆周运动的临界问题一 圆周运动的临界问题 1 圆周运动中的临界问题的分析方法 首先明确物理过程 对研究对象进行正确的受力分析 然后确定向心力 根据向心力 公式列出方程 由方程中的某个力的变化与速度变化的对应关系 从而分析找到临界值 2 特例 1 如图所示 没有物体支撑的小球 在竖直平面做 圆周运动过最高点的情况 注意注意 绳对小球只能产生沿绳收缩方向的拉力 临界条件 绳子或轨道对小球没有力的作用 mg mv2 R v临界 Rg 可理解为恰好转过 或恰好转不过的速度 注意注意 如果小球带电 且空间存在电 磁场时 临界条件应是小球重力 电场力和洛伦兹 力的合力作为向心力 此时临界速度V临 Rg 能过最高点的条件 v Rg 当V Rg时 绳对球产生拉力 轨道对球产生压力 不能过最高点的条件 V V临界 实际上球还没到最高点时就脱离了轨道 2 如图 a 的球过最高点时 轻质杆 管 对球产生的弹力情况 注意 注意 杆与绳不同 杆对球既能产生拉力 也能对球产生支持力 当v 0时 N mg N为支持力 当 0 v Rg时 N随v增大而减小 且mg N 0 N为支持力 当v Rg时 N 0 当v Rg时 N为拉力 N随v的增大而增大 此时N为拉力 方向指向圆心 注意 管壁支撑情况与杆子一样 若是图 b 的小球 此时将脱离轨道做平抛运动 因为轨道对小球不能产生拉力 注意 注意 如果小球带电 且空间存在电场或磁场时 临界条件应是小球所受重力 电场 力和洛仑兹力的合力等于向心力 此时临界速度gRV 0 要具体问题具体分析 但分 析方法是相同的 二二 质点做匀速圆周运动质点做匀速圆周运动 与与 物体绕固定轴做匀速转动物体绕固定轴做匀速转动 的区别与联系的区别与联系 1 质点做匀速圆周运动是在外力作用下的运动 所以质点在做变速运动 处于非平衡状态 2 物体绕固定轴做匀速转动是指物体处于力矩平衡的转动状态 对于物体上不在转动轴上 的任意微小质量团 可说成质点 则均在做匀速圆周运动 规律方法规律方法 1 1 圃周运动中临界问题分析 应首先考虑达到临界条件时物体所处的状态 圃周运动中临界问题分析 应首先考虑达到临界条件时物体所处的状态 然后分析该状态下物体的受力特点 结合圆周运动的知识 列出相应的动力学方程然后分析该状态下物体的受力特点 结合圆周运动的知识 列出相应的动力学方程 例1 在图中 一粗糙水平圆盘可绕过中心轴OO 旋转 现将轻质弹簧的一端固定在 圆盘中心 另一端系住一个质量为m的物块A 设弹簧劲度系数为k 弹簧原长为L 将 物块置于离圆心R处 R L 圆盘不动 物块保持静止 现使圆盘从静止开始转动 并 使转速 逐渐增大 物块A相对圆盘始终未惰动 当 增大到 5 4 k Rl mR 时 物块A 是否受到圆盘的静摩擦力 如果受到静摩擦力 试确定其方向 解析 对物块A 设其所受静摩擦力为零时的临界角度为 0 此时向心力仅为弹簧弹力 若 0 则需要较大的向心力 故需添加指向圆心的静摩擦力 若 0 则需要 较小的向心力 物体受到的静摩擦力必背离圆心 依向心力公式有m 02R k R L 所以 0 k Rl mR 故 5 4 k Rl mR 时 得 0 可见物块所受静摩擦力指向圆心 例2 如图16所示 游乐列车由许多节车厢组成 列车全长为L 圆形轨道半径为R R远大于一节车厢的高度h和长度l 但L 2 R 已知列车的车轮是卡在导轨上的光滑槽中只能使列车沿着圆周运动 而不能脱轨 试问 列车在水平轨道上应具有多大初速度V0 才能 使列车通过圆形轨道 分析与解 列车开上圆轨道时速度开始减慢 当整个圆轨道上都挤 满了一节节车厢时 列车速度达到最小值V 此最小速度一直保持到最后一节车厢进入 圆轨道 然后列车开始加速 由于轨道光滑 列车机械能守恒 设 单位长列车的质量为m 则有 V0 R O O R 22 0 11 2 22 mLVmLVmR gR 要使列车能通过圆形轨道 则必有V 0 解得 L g RV 2 0 例3 如图所示 细绳长为L 一端固定在O点 另一端系一质量为m 电荷量为 q的小球 置于电场强度为E的匀强电场中 欲使小球在竖直平面内做圆周运动 小球至最高点时速度应该是多大 解析 小球至最高点时能以L为半径做圆周运动 所需向心力最小时绳子无拉力 则Mg Eq mv02 L 得 mLEqmgv 0 故小球在竖直平面内能够做圆周运 动时 小球至最高点的速度 mLEqmgv 拓展 该题中物理最高点与几何最高点是重合的 物理最高点是在竖直平面内做圆周运动拓展 该题中物理最高点与几何最高点是重合的 物理最高点是在竖直平面内做圆周运动 的物体在该点势能最大 动能最小 若把该题中的电场变为水平向右 如图 当金属球在的物体在该点势能最大 动能最小 若把该题中的电场变为水平向右 如图 当金属球在 环内做圆周运动时 则物理最高点为环内做圆周运动时 则物理最高点为A点 物理最低点为点 物理最低点为B点 而几何最高点为点 而几何最高点为C点 几何点 几何 最低点为最低点为D点点 这种情况下 两个最高点已不再重合 两个最低点也不再重合这种情况下 两个最高点已不再重合 两个最低点也不再重合 A处速度的最小值 临界速度 应满足 22 2 EqmgFRmvA 合 思考 物体恰能到达几何最高点时 绳的拉力为多少 例4 一内壁光滑的环形细圆管 位于竖直平面内 环的半径为R 比细管的半径大得多 圆管中有两个直径与细管内径相同的小球 可视为质点 A球的质量为m1 B球的 质量为m2 它们沿环形圆管顺时针运动 经过最低点时的速度都为v0 设A球运动到 最低点时 球恰好运动到最高点 若要此时两球作用于圆管的合力为零 那么m1 m 2 R与v0应满足怎样的关系式 解析 首先画出小球运动达到最高点和最低点的受力图 如图所示 A球在圆管最低 点必受向上弹力N1 此时两球对圆管的合力为零 m2必受圆管向下的弹力N2 且N1 N2 据牛顿第二定律A球在圆管的最低点有 R v mgmN 2 0 111 同理m2在最高点有 R v mNgm 2 1 222 m2球由最高点到最低点机械能守恒 2 02 2 122 2 1 2 1 2vmvmRgm 又N1 N2 小结 比较复杂的物理过程 如能依照题意画出草图 确定好研究对象 逐一分析就会 E m q L O 变为简单问题 找出其中的联系就能很好地解决问题 例5 如图所示 赛车在水平赛道上作900转弯 其内 外车道转弯处的半径分别为r1和r2 车与路面间的动摩擦因数和静摩擦因数都是 试问 竞赛中车手应选图中的内道转弯 还是外道转弯 在上述两条弯转路径中 车手做正确选择较错误选择所赢得的时间是多少 分析分析 赛车在平直道路上行驶时 其速度值为其所能达到的最大值 设为赛车在平直道路上行驶时 其速度值为其所能达到的最大值 设为vm 转弯时 车做 转弯时 车做 圆周运动 其向心力由地面的静摩擦力提供 则车速受到轨道半径和向心加速度的限制 圆周运动 其向心力由地面的静摩擦力提供 则车速受到轨道半径和向心加速度的限制 只能达到一定的大小 为此 车在进入弯道前必须有一段减速过程 以使其速度大小减小只能达到一定的大小 为此 车在进入弯道前必须有一段减速过程 以使其速度大小减小 到车在弯道上运行时所允许的速度的最大值 走完弯路后 又要加速直至达到到车在弯道上运行时所允许的速度的最大值 走完弯路后 又要加速直至达到vm 车道的 车道的 选择 正是要根据内外道上的这些对应过程所历时间的比较来确定 选择 正是要根据内外道上的这些对应过程所历时间的比较来确定 对于外车道 设其走弯路时所允许的最大车速为v2 则应有mv22 r2 mg解得v2 2 r g 如图所示 设车自M点开始减速 至N点其速度减为v2 且刚好由此点进入弯道 此减 速过程中加速度的大小为a mg m g 此减速过程中行驶的路径长度 即MN的长度 为x2 a vvm 2 2 2 2 g vm 2 2 2 2 r 车沿弯道到达A点后 由对称关系不难看出 它又要在一段长为x2的路程上加速 才能达到 速度vm 上述过程所用的总时间为 t2 t减速 t圆弧 t加速 a vvm 2 2 2 2v r a vvm 2 g vm 2 2 2 g r 2 同样的道理可以推得车走内车道所用的总时间为t1 g vm 2 2 2 g r 1 另一方面 对内车道和外车道所历路程的直线部分进行比较 由图可见 车往内车道 多走了长度 L r2 rl 同时 在直线道上车用于加速和减速的行程中 车往内道也多走了长度 x 2x1 2x2 r2 rl 由于上述的 L和 x刚好相等 可见车在直道上以vm匀速行驶的路程长度对于内外两道来 说是相等的 这样 为决定对内外道的选择 只需比较上述的t1和t2即可由于 t2 t1 显 然 车手应选择走外道 由此赢得的时间为 t t1一t2 21 2 2 rr g 2 2 求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围求解范围类极值问题 应注意分析两个极端状态 以确定变化范围 例6 如图 直杆上0102两点间距为L 细线O1A长为3L O2A长为L A端小球质量为m 要使两根细线均被拉直 杆应以多大的角速度 转动 解析 当 较小时线O1A拉直 O2A松弛 而当 太大时O2A拉直 O1A将松弛 设O2A刚好拉直 但FO2A仍为零时角速度为 1 此时 O2O1A 300 对小球 在竖直方向FO1A cos300 mg 在水平方向 FO1A sin300 20 1 3sin30mL 由 得 1 2 3 g L 设O1A由拉紧转到刚被拉直 FO1A变为零时角速度为 2 对小球 FO2A cos600 mg FO2A sin600 m 22L sin600 由 得 2 2g L 故 22 3 gg LL 例7 一根长约为L的均匀细杆可以绕通过其一端的水平轴在竖直平面 内转动 杆最初在水平位置 杆上距O为a处放有一个小物体B 可视为质 点 杆与其上小物体最初均处于静止状态 若此杆突然以匀角速度 绕O轴转动 问当 取什么值时 小物体与杆可能相碰 解析 杆开始转动后 两物体的运动状态分别为 A做匀速转动 B做自由落 体运动 若B能与杆相碰 只可能在B下落的竖直线上 那么 杆转动的高度范 围就被确定了 即如图所示的转角范围 我们分两种情况进行讨论 1 当杆的转速 较小时 物体B有可能追上细杆与细杆相碰 设物体B下落到C作用的时间 为t1 杆转过 角所用时间为t2 两物要能相碰 t1和t2就满足下列条件 t1 t2 又因为LBC gt12 t2 由几何关系LBC 22 aL Lcos a 所以LBC gt12 22 aL 解得t1 g aL 22 2 由 t2 arccos L解得t2 1 arccos a L 将tl t2代入 式 得 g aL 22 2 1 arccos a L 解得 2 g arccos a L