高中物理 第五章 曲线运动 6 向心力课件 新人教版必修2.ppt

第五章 6向心力 学习目标1 了解向心力的概念 知道它是根据力的作用效果命名的 2 体验向心力的存在 会分析向心力的来源 3 掌握向心力的表达式 并能用来进行计算 4 知道变速圆周运动中向心力是合外力的一个分力 知道合外力的作用效果 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 1 定义 做匀速圆周运动的物体产生向心加速度的原因是它受到了指向 这个合力叫做向心力 2 方向 始终沿着指向 3 表达式 1 fn 2 fn 4 向心力是根据力的来命名的 凡是产生向心加速度的力 不管属于哪种性质 都是向心力 一 向心力 圆心的合力 半径 作用效果 圆心 m 2r 1 变速圆周运动的合力 变速圆周运动的合力产生两个方向的效果 如图1所示 1 跟圆周相切的分力ft 产生加速度 此加速度描述线速度变化的快慢 2 指向圆心的分力fn 产生加速度 此加速度描述线速度改变的快慢 二 变速圆周运动和一般的曲线运动 切向 大小 图1 向心 方向 2 一般的曲线运动的处理方法 1 一般的曲线运动 运动轨迹既不是也不是的曲线运动 2 处理方法 可以把曲线分割成许多很短的小段 每一小段可看做一小段 研究质点在这一小段的运动时 可以采用圆周运动的处理方法进行处理 直线 圆周 圆孤 1 判断下列说法的正误 1 匀速圆周运动的向心力是恒力 2 匀速圆周运动的合力就是向心力 3 所有圆周运动的合力都等于向心力 4 向心力和重力 弹力一样 是性质力 5 向心力的作用是改变物体的速度 产生向心加速度 2 如图2所示 在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体 物体随圆筒一起转动 物体所需的向心力由下面哪个力来提供a 重力b 弹力c 静摩擦力d 滑动摩擦力 图2 答案 解析 解析本题可用排除法 首先可排除a d两项 若向心力由静摩擦力提供 则静摩擦力或其分力应指向圆心 这是不可能的 c错 故选b 重点知识探究 一 对向心力的理解 1 如图3所示 用细绳拉着小球在光滑水平面内做匀速圆周运动 若小球的线速度为v 运动半径为r 是什么力产生的向心加速度 该力的大小 方向如何 小球运动的速度v增大 绳的拉力大小如何变化 答案 答案产生向心加速度的力是小球受到的重力 支持力和绳的拉力的合力 合力等于拉力 大小为f man 方向指向圆心 v增大 绳的拉力增大 图3 2 若月球绕地球做匀速圆周运动的角速度为 月地距离为r 是什么力产生的加速度 该力的大小 方向如何 答案向心加速度an 2r 是地球对月球的引力产生的加速度 引力的大小为f man m 2r 方向指向地心 答案 向心力的理解1 向心力 使物体做圆周运动的指向圆心的合力 3 向心力的方向无论是否为匀速圆周运动 其向心力总是沿着半径指向圆心 方向时刻改变 故向心力是变力 4 向心力的作用效果 改变线速度的方向 由于向心力始终指向圆心 其方向与物体运动方向始终垂直 故向心力不改变线速度的大小 例1 多选 下列关于向心力的说法中正确的是a 物体由于做圆周运动而产生了一个向心力b 向心力不改变圆周运动中物体线速度的大小c 做匀速圆周运动的物体其向心力即为其所受的合外力d 做圆周运动的物体所受各力的合力一定充当向心力 解析当物体所受的外力的合力始终有一分力垂直于速度方向时 物体就将做圆周运动 该分力即为向心力 故先有向心力然后才使物体做圆周运动 因向心力始终垂直于速度方向 所以它不改变线速度的大小 只改变线速度的方向 匀速圆周运动所受合外力指向圆心 完全提供向心力 非匀速圆周运动中是合外力指向圆心的分力提供向心力 答案 解析 二 向心力来源的分析 分析下列几种圆周运动所需向心力分别由什么力提供 1 地球绕太阳做圆周运动 如图4甲 图4 答案 答案太阳对地球的引力 答案 2 圆盘上物块随圆盘一起匀速转动 如图乙 3 在光滑漏斗内壁上 小球做匀速圆周运动 如图丙 答案物块受到的静摩擦力 也可以说是物块所受重力 支持力 静摩擦力的合力 答案漏斗对小球的支持力和小球所受重力的合力 答案 4 小球在细线作用下 在水平面内做圆锥摆运动时 如图丁 答案向心力由细线的拉力在水平面内的分力提供 1 在匀速圆周运动中 合外力一定是向心力 在非匀速圆周运动中 沿半径方向的合外力提供向心力 2 向心力是按作用效果命名的 充当向心力的力可以是重力 弹力 摩擦力等各种力 也可以是合力或分力 应明确各种情况下向心力的来源 例2一只小狗拉着雪橇在水平冰面上沿着圆弧形的道路匀速行驶 如图所示为雪橇所受的牵引力f及摩擦力ff的示意图 其中正确的是 答案 解析 解析雪橇运动时所受摩擦力为滑动摩擦力 方向与运动方向相反 与圆弧相切 又因为雪橇做匀速圆周运动时合力充当向心力 合力方向必然指向圆心 综上可知 c项正确 例3如图5所示 已知绳长为l 20cm 水平杆长为l 0 1m 小球质量m 0 3kg 整个装置可绕竖直轴转动 g取10m s2 问 结果保留两位小数 1 要使绳子与竖直方向成45 角 试求该装置必须以多大的角速度转动才行 解析 图5 答案 答案6 44rad s 2 此时绳子的张力为多大 答案4 24n 解析小球绕竖直轴做圆周运动 其轨道平面在水平面内 对小球受力分析如图所示 设绳对小球拉力为ft 小球重力为mg 则绳的拉力与重力的合力提供小球做圆周运动的向心力 对小球利用牛顿第二定律可得 mgtan45 m 2r r l lsin45 联立 两式 将数值代入可得 6 44rad s 向心力的分析思路1 确定物体在哪个平面内做圆周运动 明确圆心和半径r 确定a v 等物理量中什么是已知或要求的 2 对物体进行受力分析 确定向心力来源及大小 3 根据牛顿第二定律f合 f向列方程 求解 三 变速圆周运动和一般的曲线运动 用绳拴一沙袋 使沙袋在光滑水平面上做变速圆周运动 如图6 1 分析绳对沙袋的拉力的作用效果 答案 答案绳对沙袋的拉力方向不经过圆心 即不与沙袋的速度方向垂直 而是与沙袋的速度方向成一锐角 如题图 拉力f有两个作用效果 一是改变线速度的大小 二是改变线速度的方向 图6 2 如果将拉力按照其作用效果进行分解 两个分力各产生了怎样的加速度 分加速度的作用效果如何 答案 答案根据f产生的作用效果 可以把f分解为两个相互垂直的分力 跟圆周相切的分力f1和指向圆心的分力fn f1产生切线方向的加速度 改变线速度的大小 fn产生向心加速度 改变线速度的方向 1 受力特点 变速圆周运动中合外力不指向圆心 合力f产生改变速度大小和方向两个作用效果 即 例4如图7所示 物块p置于水平转盘上随转盘一起运动 图中c方向沿半径指向圆心 a方向与c方向垂直 当转盘逆时针转动时 下列说法正确的是a 当转盘匀速转动时 p受摩擦力方向为cb 当转盘匀速转动时 p不受转盘的摩擦力c 当转盘加速转动时 p受摩擦力方向可能为ad 当转盘减速转动时 p受摩擦力方向可能为b 解析 答案 图7 解析转盘匀速转动时 物块p所受的重力和支持力平衡 摩擦力提供其做匀速圆周运动的向心力 故摩擦力方向指向圆心o点 a项正确 b项错误 当转盘加速转动时 物块p做加速圆周运动 不仅有沿c方向指向圆心的向心力 还有指向a方向的切向力 使线速度大小增大 两方向的合力即摩擦力可能指向b c项错误 当转盘减速转动时 物块p做减速圆周运动 不仅有沿c方向指向圆心的向心力 还有指向a相反方向的切向力 使线速度大小减小 两方向的合力即摩擦力可能指向d d项错误 针对训练如图8所示 某物体沿光滑圆弧轨道由最高点滑到最低点过程中 物体的速率逐渐增大 则a 物体的合外力为零b 物体的合力大小不变 方向始终指向圆心oc 物体的合外力就是向心力d 物体的合力方向始终与其运动方向不垂直 最低点除外 解析 图8 答案 解析物体做加速曲线运动 合力不为零 a错 物体做速度大小变化的圆周运动 合力不指向圆心 合力沿半径方向的分力等于向心力 合力沿切线方向的分力使物体速度变大 即除在最低点外 物体的速度方向与合力的方向夹角为锐角 合力与速度不垂直 b c错 d对 匀速圆周运动与变速圆周运动的比较 当堂达标检测 1 向心力的理解 多选 下面关于向心力的叙述中 正确的是a 向心力的方向始终沿着半径指向圆心 所以是一个变力b 做匀速圆周运动的物体 除了受到别的物体对它的作用力外 还一定受到一个向心力的作用c 向心力可以是重力 弹力 摩擦力中的某个力 也可以是这些力中某几个力的合力 或者是某一个力的分力d 向心力只改变物体速度的方向 不改变物体速度的大小 1 2 3 4 解析 答案 解析向心力是根据力的作用效果来命名的 它可以是物体受力的合力 也可以是某一个力的分力 因此 在进行受力分析时 不能再分析向心力 向心力时刻指向圆心 与速度垂直 所以向心力只改变速度方向 不改变速度大小 a c d正确 1 2 3 4 2 向心力的来源分析 如图9所示 一圆盘可绕过圆盘的中心o且垂直于盘面的竖直轴转动 在圆盘上放一小木块a 它随圆盘一起运动 做匀速圆周运动 则关于木块a的受力 下列说法中正确的是a 木块a受重力 支持力和向心力b 木块a受重力 支持力和静摩擦力 摩擦力的方向与木块运动方向相反c 木块a受重力 支持力和静摩擦力 摩擦力的方向指向圆心d 木块a受重力 支持力和静摩擦力 摩擦力的方向与木块运动方向相同 解析 答案 图9 1 2 3 4 解析由于圆盘上的木块a在竖直方向上没有加速度 所以 它在竖直方向上受重力和支持力的作用而平衡 而木块在水平面内做匀速圆周运动 其所需向心力由静摩擦力提供 且静摩擦力的方向指向圆心o 故选c 1 2 3 4 3 圆周运动中的动力学问题 如图10所示 质量为1kg的小球用细绳悬挂于o点 将小球拉离竖直位置释放后 到达最低点时的速度为2m s 已知球心到悬点的距离为1m 重力加速度g 10m s2 求小球在最低点时对绳的拉力的大小 解析 图10 答案 答案14n 1 2 3 4 解析小球在最低点时做圆周运动的向心力由重力mg和绳的拉力ft提供 如图所示 小球对绳的拉力与绳对小球的拉力是一对作用力和反作用力 所以小球在最低点