2017_2018学年高中物理第4章匀速圆周运动第3节向心力的实例分析教学案鲁科版必修.docx

第3节 向心力的实例分析1汽车在水平路面上转弯时的向心力由静摩擦力提供。2高速公路、铁路的弯道做成外高内低，汽车、火车转弯时依靠重力与支持力的合力提供向心力，以保证汽车、火车安全转弯。3汽车驶过凸形路面顶端时对路面的压力小于汽车所受的重力；汽车驶过凹形路面底端时对路面的压力大于汽车所受的重力。4竖直平面内圆周运动模型有绳球模型和杆球模型，因绳与杆的弹力不同，造成两模型在最高点的受力不同。5绳球模型最高点临界速度mgmv，杆球模型在最高点重力可以等于支持力，故临界速度v0。 一、转弯时的向心力实例分析 1汽车在水平路面转弯，所受静摩擦力提供转弯所需的向心力。2火车(或汽车)转弯时，如图431所示，向心力由重力和支持力的合力提供，向心力Fmgtan ，转弯处的速度v。图431图4323飞机(或飞鸟)转弯受力如图432所示，向心力由空气作用力F和重力mg的合力提供。二、竖直平面内的圆周运动实例分析1汽车过拱形桥内容项目汽车过凸形桥汽车过凹形桥向心力方程mgNmNmgm支持力Nmgm支持力小于重力，当v时N0Nmgm支持力大于重力2过山车(在最高点和最低点) (1)向心力来源：受力如图433所示，重力和支持力的合力提供向心力。图433(2)向心力方程在最高点：Nmgm，v越小，N越小，当N0时vmin。在最低点：Nmgm。1自主思考判一判(1)火车转弯时的向心力是火车受到的合外力。()(2)火车以恒定速率转弯时，合外力提供向心力。()(3)做匀速圆周运动的汽车，其向心力保持不变。()(4)汽车过拱形桥时，对桥面的压力一定大于汽车自身的重力。()(5)汽车在水平路面上行驶时，汽车对地面的压力大小等于自身的重力大小。()2合作探究议一议(1)假定你是一个铁路设计的工程师，你打算用什么方法为火车转弯提供向心力？提示：要根据弯道的半径和规定的行驶速度，确定内外轨的高度差，使火车转弯时所需的向心力几乎完全由重力G和支持力N的合力来提供。(2)如图434所示，滑冰运动员转弯时为什么要向转弯处的内侧倾斜身体？图434提示：倾斜身体是为了获得冰面对运动员向内侧的静摩擦力，从而获得做圆周运动所需要的向心力。(3)过山车和乘客在轨道上的运动是圆周运动，如图435所示，过山车驶至轨道的顶部，车与乘客在轨道的下方，为什么车与乘客不会掉下来？图435提示：过山车驶至轨道的顶部时，车所受的重力和轨道的弹力的合力提供车做圆周运动的向心力，满足车做圆周运动的条件，而非近心运动或自由落体运动。 火车转弯问题分析1火车车轮的特点火车的车轮有凸出的轮缘，火车在铁轨上运行时，车轮与铁轨有水平与竖直两个接触面，这种结构特点，主要是避免火车运行时脱轨，如图436所示。图4362圆周平面的特点弯道处外轨高于内轨，但火车在行驶过程中，重心高度不变，即火车的重心轨迹在同一水平面内，火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。3向心力的来源分析在实际的火车转弯处，外轨高于内轨，火车转弯所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供，即mgtan m，如图437所示，则v。其中R为弯道半径，为轨道所在平面与水平面的夹角，v为转弯处的规定速度。图4374转弯时速度与轨道侧压力的关系(1)当火车行驶速度v时，重力和弹力的合力提供向心力，轮缘对内、外轨无侧压力。(2)当火车行驶速度v时，轮缘对外轨有侧压力。(3)当火车行驶速度v时，轮缘对内轨有侧压力。特别提醒火车做圆周运动的圆周平面是水平面，而不是斜面；火车做圆周运动的向心力沿水平方向指向圆心，而不是斜向下方。典例质量为m的火车以恒定的速率在水平面内沿一段半径为R的圆形轨道转弯，如图438所示，已知路面有一定的倾角。当火车以速率v0在此弯道上转弯时，车轮对轨道的侧压力恰好为零。如果火车以实际速率v(vv0)在此弯道上转弯时，车轮将施于铁轨一个与枕木平行的压力F，试求侧压力F的大小。图438审题指导第一步：抓关键点关键点获取信息车轮对轨道的侧压力恰好为零重力和支持力的合力充当向心力实际速率vv0平行于枕木向下的弹力、重力、支持力的合力充当向心力第二步：找突破口以火车为研究对象，火车做圆周运动的平面是水平的，故合力(向心力)沿水平方向，对火车以速率v0和v在此弯道转弯时受力分析，结合牛顿第二定律列方程可求侧压力F的大小。解析用表示路面与水平面的夹角，当火车以速率v0转弯时有mgtan 当火车以实际速率v转弯时，车轮对外轨的侧压力与外轨对车轮的侧压力是一对相互作用力，此时有Nsin Fcos Ncos Fsin mg联立式，解得F。答案火车转弯问题的解题方法(1)对火车转弯问题一定要搞清合力的方向，指向圆心方向的合外力提供物体做圆周运动的向心力，方向指向水平面内的圆心。(2)弯道两轨在同一水平面上时，向心力由外轨对轮缘的挤压力提供。(3)当外轨高于内轨时，向心力由火车的重力和铁轨的支持力以及内、外轨对轮缘的挤压力的合力提供，这还与火车的速度大小有关。1火车在拐弯时，关于向心力的分析，正确的是()A由于火车本身作用而产生了向心力B主要是由于内外轨的高度差的作用，车身略有倾斜，车身所受重力的分力产生了向心力C火车在拐弯时的速率小于规定速率时，内轨将给火车侧压力，侧压力就是向心力D火车在拐弯时的速率大于规定速率时，外轨将给火车侧压力，侧压力作为火车拐弯时向心力的一部分解析：选D火车正常拐弯时，重力和支持力的合力提供向心力，故A、B错误；当拐弯速率大于规定速率时，外轨对火车有侧压力作用；当拐弯速率小于规定速率时，内轨对火车有侧压力作用，此时，火车拐弯所需的向心力是重力、支持力和侧压力的合力来提供，故C错误，D正确。2火车在某个弯道按规定运行速度40 m/s转弯时，内、外轨对车轮皆无侧压力。若火车在该弯道实际运行速度为30 m/s，则下列说法中正确的是()A仅内轨对车轮有侧压力B仅外轨对车轮有侧压力C内、外轨对车轮都有侧压力D内、外轨对车轮均无侧压力解析：选A火车在弯道按规定运行速度转弯时，重力和支持力的合力提供向心力，内、外轨对车轮皆无侧压力。若火车的运行速度小于规定运行速度时，重力和支持力的合力大于火车需要的向心力，火车有做近心运动趋势，内轨对车轮产生侧压力，重力、支持力和内轨的侧压力的合力提供火车做圆周运动的向心力，故A正确。3修铁路时，两轨间距是1 435 mm，某处铁路转弯的半径是300 m，若规定火车通过这里的速度是72 km/h。请你运用学过的知识计算一下，要想使内外轨均不受轮缘的挤压，内外轨的高度差应是多大？解析：火车受到的支持力和重力的合力指向轨道圆心做向心力，如图所示。图中h为两轨高度差，d为两轨间距，mgtan m，tan ，又由于轨道平面和水平面间的夹角一般较小，可近似认为tan sin 。因此，又v72 km/h20 m/s，则h m0.195 m。答案：0.195 m竖直平面内圆周运动分析1细绳模型如图439所示，细绳系的小球或在轨道内侧运动的小球，在最高点时的临界状态为只受重力，由mgm，得v。图439在最高点时：(1)v时，拉力或压力为零。(2)v时，物体受向下的拉力或压力，并且随速度的增大而增大。(3)v时，物体不能达到最高点。(实际上球未到最高点就脱离了轨道)即绳类在最高点的临界速度为v临。2轻杆模型如图4310所示，在细轻杆上固定的小球或在管形轨道内运动的小球，由于杆和管能对小球产生向上的支持力，所以小球能在竖直平面内做圆周运动的条件是在最高点的速度大于或等于零，小球的受力情况为：图4310(1)v0时，小球受向上的支持力Nmg。(2)0v时，小球受向下的拉力或压力，并且随速度的增大而增大。即杆类的最高点的临界速度为v临0。特别提醒(1)细绳模型和轻杆模型在竖直平面内做圆周运动，恰能通过最高点的速度条件不同。(2)两个模型都是根据向心力的特点确定临界条件。典例杂技演员在做“水流星”表演时，用一根细绳系着盛水的杯子，抡起绳子，让杯子在竖直平面内做圆周运动。如图4311所示，杯内水的质量m0.5 kg，绳子总长l120 cm。求：图4311(1)在最高点水不流出的最小速率。(2)水在最高点速率v3 m/s时，水对杯底的压力大小。思路点拨解答本题应把握以下两点：(1)水在最高点不流出的受力条件。(2)水和杯子做圆周运动的向心力来源。解析(1)在最高点水不流出的条件是重力不大于水做圆周运动所需要的向心力，即mgm，则所求最小速率v0 m/s2.42 m/s。(2)当水在最高点的速率大于v0时，只靠重力提供向心力已不足，此时杯子底对水有向下的力，设为N，由牛顿第二定律有Nmgm，即Nmmg2.6 N由牛顿第三定律知，水对杯子的作用力NN2.6 N，方向竖直向上。答案(1)2.42 m/s(2)2.6 N三步分析竖直平面内的圆周运动(1)确定圆周运动的类型：是绳模型还是杆模型。(2)确定物体过最高点的临界条件。(3)分析物体受力情况，根据牛顿第二定律及向心力的公式列式求解。1.一辆满载的卡车在起伏的公路上匀速行驶，如图4312所示，由于轮胎过热，容易爆胎。爆胎可能性最大的地段是()图4312AA处BB处CC处 DD处解析：选D在A、B、C、D各点均由重力与支持力的合力提供向心力，爆胎可能性最大的地段为轮胎与地面的挤压力最大处。在A、C两点有mgFm，则Fmgmmg，且R越小，F越大，故FD最大，即D处最容易爆胎。2长L0.5 m、质量可忽略的杆，其一端固定于O点，另一端连有质量m2 kg的小球，小球绕O点在竖直平面内做圆周运动。当通过最高点时，如图4313所示，求此时下列情况下杆对球的作用力(计算出大小，并说明是拉力还是支持力，g取10 m/s2)：图4313(1)当v11 m/s时，作用力的大小为_N，是_力。(2)当v24 m/s时，作用力的大小为_N，是_力。解析：(1)当v11 m/s时，设杆对球的作用力为F1，方向向下，则有mgF1m解得F116 N所以杆对球的作用力大小为16 N，方向向上，为支持力。(2)同理可得，F244 N，方向向下，为拉力。答案：(1)16支持(2)44拉3.如图4314所示，是马戏团中上演的飞车节目，在竖直平面内有半径为R的圆轨道。表演者骑着摩托车在圆轨道内做圆周运动。已知人和摩托车的总质量为m，人以v1 的速度通过轨道最高点B，并以v2v1的速度通过最低点A。求在A、B两点轨道对摩托车的压力大小相差多少？图4314解析：由题意可知，在B点，有FBmgm，解之得FBmg，在A点，有FAmgm，解之得FA7mg，所以在A、B两点轨道对车的压力大小相差6mg。答案：6mg圆周运动与能量的综合问题1如图1所示，长为L的轻杆一端固定质量为m的小球，另一端有固定转轴O。现使小球在竖直平面内做圆周运动，P为圆周轨道的最高点，若小球通过圆周轨道最低点时的速度大小为 ，则以下判断中正确的是()图1A小球不能到达P点B小球到达P点时的速度大于C小球能到达P点，且在P点受到轻杆向上的弹力D小球能到达P点，且在P点受到轻杆向下的弹力解析：选C由机械能守恒得m2mg2LmvP2，解得vP。由轻杆模型可得，0vP时，杆对小球有竖直向上的支持力，故C正确。2.如图2所示是半径为r的竖直光滑圆形轨道，将一玩具小车放到与轨道圆心O处于同一水平面的A点，并给小车一竖直向下的初速度，使小车沿轨道内侧做圆周运动。要使小车不脱离轨道，则在A处使小车获得竖直向下的最小初速度应为()图2A.B.C. D.解析：选C小车恰好不脱离轨道的条件是在最高点满足mgm。小车沿轨道内侧做圆周运动的过程中，只有重力做功，机械能守恒。设小车在A处获得的最小初速度为vA，由机械能守恒定律得mvA2mgrmv2，解得vA。故选项C正确。3(多选)如图3所示，半径为R的光滑圆弧槽固定在小车上，有一小球静止在圆弧槽的最低点。小车和小球一起以速度v向右匀速运动，当小车遇到障碍物突然停止后，小球上升的高度可能()图3A等于B大于C小于 D与小车的速度v无关解析：选AC设小球的质量为m，上升的高度为h。如果v较小，小车停止运动后， 小球还没有脱离圆弧槽，则根据机械能守恒定律有mv2mgh，可得h，选项A正确；如果v较大，小车停止运动后，小球能够跑出圆弧槽，那么小球出了圆弧槽后将做斜抛运动，当小球到达最高点时，其还有水平方向上的速度，所以mv2mgh，可得h，选项C正确。4.童非，江西人，中国著名体操运动员，首次在单杠项目上实现了“单臂大回环”：用一只手抓住单杠，伸展身体，以单杠为轴做圆周运动，如图4所示，假设童非的质量为65 kg，那么，在完成“单臂大回环”的过程中，童非的单臂至少要能够承受多大的力？(g取10 m/s2)图4解析：童非恰好能通过最高点时，重力和支持力相等，临界速度应当为零，即v临0，从最高点到最低点的过程中，由机械能守恒定律得：mg2rmv2童非通过最低点时，由牛顿第二定律得：Fmgm联立可得F5mg，代入数据得F3 250 N，即童非单臂至少能承受3 250 N的力。答案：3 250 N5游乐园里过山车原理的示意图如图5所示。设过山车的总质量为m，由静止从高为h的斜轨顶端A点开始下滑，到半径为r的圆形轨道最高点B时恰好对轨道没有压力。求：图5(1)过山车在圆形轨道最高点B时的速度大小v。(2)过山车从A到B过程中克服阻力所做的功W。解析：(1)在B点，由牛顿第二定律和向心力公式，有mgm，得v。(2)由动能定理有mg(h2r)Wmv2，得Wmghmgr。答案：(1)(2)mghmgr6.如图6所示，AB是竖直平面内的四分之一圆弧形光滑轨道，下端B与水平直轨道相切。一个小物块自A点由静止开始沿轨道下滑，已知轨道半径R0.2 m，小物块的质量m0.1 kg，小物块与水平面间的动摩擦因数0.5，取g10 m/s2。求：图6(1)小物块在B点时受到的圆弧轨道的支持力大小。(2)小物块在水平面上滑动的最大距离。解析：(1)从A点运动到B点，小物块机械能守恒，得mgRmvB2，在B点有Nmgm，联立以上两式得支持力N3mg30.110 N3 N。(2)设小物块在水平面上滑动的最大距离为s，对整个过程由动能定理得