高中物理_必修2_5.7《生活中的圆周运动》(上课版)_新人教版

1、思考：思考： 在平直轨道上匀在平直轨道上匀速行驶的火车，速行驶的火车，火车受几个力作火车受几个力作用？这几个力的用？这几个力的关系如何？那火关系如何？那火车转弯时情况会车转弯时情况会有何不同呢？有何不同呢？ 火车转弯时是在火车转弯时是在做圆周运动，那做圆周运动，那么是什么力提供么是什么力提供向心力？向心力？实例实例车轮的构造车轮的构造火车车轮有突出的轮缘火车车轮有突出的轮缘车轮介绍车轮介绍F轮缘轮缘外轨外轨内轨内轨如果转弯处内外轨一样高如果转弯处内外轨一样高, ,外轨对轮外轨对轮缘产生挤压，这个弹力就是火车转弯缘产生挤压，这个弹力就是火车转弯的向心力。的向心力。但这样可能会造成什么后果？但这样

2、可能会造成什么后果？铁轨和车轮容易损坏铁轨和车轮容易损坏 铁路的弯道铁路的弯道内外轨道一样高内外轨道一样高2vFFmr向心力外轨对轮缘的弹力提供向心力外轨对轮缘的弹力提供向心力. 靠这种办靠这种办法得到的向法得到的向心力缺点是心力缺点是什么？如何什么？如何解决这一实解决这一实际问题？际问题？合作与探究合作与探究 请设计一个方案让火车沿轨道安全通过弯道请设计一个方案让火车沿轨道安全通过弯道设计方案思想简述设计方案思想简述 画出草图画出草图 简单计算说明简单计算说明 可行性分析可行性分析 【学生活动】设计火车弯道 学生分组讨论，提出可行性方案【最佳方案最佳方案】外轨略高于内轨外轨略高于内轨GFNF

3、合合【方案剖析方案剖析】nFF合Rvmmg2tan火车转弯规定火车转弯规定临界速度临界速度: :tanvRg临界解析：解析：重力重力G与支持力与支持力FN的合力的合力F合合是使火车转弯的向心力是使火车转弯的向心力GNFtantannFFGmg当当 很小时，很小时，2sintan,sinnnhlhFmglvFmRghRvLNhF 如图，斜面轨道倾角如图，斜面轨道倾角为为，转弯半径转弯半径R，要使，要使车轮对内外轨都无压力车轮对内外轨都无压力,质量为质量为m的火车运行的速的火车运行的速率应该多大率应该多大?火车拐弯应以规定速度行驶火车拐弯应以规定速度行驶FF合向0tanvgr G当外轨略高于内轨时

4、当外轨略高于内轨时hL 当当V=VV=V规规时时, ,内、外轨对车内、外轨对车轮都无侧向压力轮都无侧向压力当当V VV V规规时时, ,仅仅外轨外轨对车轮对车轮有侧向压力有侧向压力当当V VV V规规时时, ,仅仅内轨内轨对车轮对车轮有侧向压力有侧向压力设定一规定速度设定一规定速度v v转弯时，转弯时，若若h h大小适当，向心力可大小适当，向心力可完全由重力和支持力提供完全由重力和支持力提供火车行驶速率火车行驶速率vv规定规定当火车行驶速率当火车行驶速率vv规定规定时时 当火车行驶速率当火车行驶速率vv规定规定时时GNN火车行驶速率火车行驶速率v , F提提 合力不足以提供向心力合力不足以提供

5、向心力 外轨对轮缘有挤压；外轨对轮缘有挤压；2.当当v= , = F提提合力恰好等于向心力合力恰好等于向心力 内外轨对轮缘都无挤压内外轨对轮缘都无挤压3.当当 v , F提提合力大于向心力，内轨合力大于向心力，内轨 对轮缘有挤压对轮缘有挤压ghRlghRlghRlnFnFnF注意1、火车转弯时向心力是水平的、火车转弯时向心力是水平的 从这个例子我们进一步知道从这个例子我们进一步知道 ：2、向心力是按效果命名的力，、向心力是按效果命名的力，如果认为做匀速圆周运动的物如果认为做匀速圆周运动的物体除了受到另外物体的作用，体除了受到另外物体的作用，还要再受到一个向心力，那就还要再受到一个向心力，那就不

6、对了。不对了。针对训练针对训练1 铁路在弯道处的内外轨道高低是不同的，已知内外轨道对水平面倾角为（如图），弯道处的圆弧半径为R，若质量为m的火车转弯时速度小于， 则 ( ) A内轨对内侧车轮轮缘有挤压B外轨对外侧车轮轮缘有挤压C这时铁轨对火车的支持力等于mg/cosD这时铁轨对火车的支持力大于mg/costanRg【物理与生活】 20082008年年4 4月月1818日，我国铁路进行了第六次日，我国铁路进行了第六次大提速，时速将达大提速，时速将达200200公里以上，这必将为公里以上，这必将为我国经济腾飞注入新的活力。假设你是一位我国经济腾飞注入新的活力。假设你是一位从事铁路设计的工程师，你认

7、为火车提速有从事铁路设计的工程师，你认为火车提速有必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造？必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造？赛道的设计赛道的设计 公路上的拱公路上的拱形桥是常见的，形桥是常见的，汽车过桥时，汽车过桥时，也可以看做圆也可以看做圆周运动。那么周运动。那么是什么力提供是什么力提供汽车的向心力汽车的向心力呢？呢？思考：思考：实例二、汽车过桥二、汽车过桥123讨论 质量为m的汽车在拱形桥上以速度v行驶，若桥面的圆弧半径为R，试画出受力分析图，分析汽车通过桥的最高点时对桥的压力 VROGFN2.拱型桥拱型桥F向向=G FN=mRV2FN= G mRV2（ 1 ）汽车对桥的压力）汽车对

8、桥的压力FN = FN（）汽车的速度越大（）汽车的速度越大汽车对桥的压力越小汽车对桥的压力越小由上式和由上式和牛顿第三定律牛顿第三定律可知可知根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律汽车开始做平抛运动汽车开始做平抛运动gR（）当汽车的速度增大到（）当汽车的速度增大到V= 时时,压力为零。压力为零。 汽车通过桥最高点时，汽车通过桥最高点时，车对桥的压力车对桥的压力以以“凸形桥凸形桥”为例分析：为例分析：1、分析汽车的受力情况、分析汽车的受力情况2、找圆心、找圆心3、确定、确定F合合即即F向心力向心力的方向。的方向。4、列方程、列方程NGF合合= G-NFF合向心力2vGNmR2vNGmR2vNNGmR压

9、力 思考：汽车在拱形桥顶端的速度不同，思考：汽车在拱形桥顶端的速度不同，桥对车的支持力也不同，有什么不同呢桥对车的支持力也不同，有什么不同呢 ？拓展拓展 下面自己分析汽车通过凹形桥最低点时，汽车对桥的压力比汽车的重力大些还是小些? 学生分析汽车通过最底点时车对桥学生分析汽车通过最底点时车对桥 (过过水路面水路面)的压力的压力 2vNGmrVRO3.凹形桥凹形桥F向向=F1 G =mRV2F1 =m+RV2由上式和由上式和牛顿第三定律牛顿第三定律可知可知（ 1 ）汽车对桥的压力）汽车对桥的压力F1 = F1（）汽车的速度越大（）汽车的速度越大汽车对桥的压力越大汽车对桥的压力越大根据牛顿第二定律根

10、据牛顿第二定律GF1汽车对桥面的压力超重失重状态最高点最低点2vN G mGr2vN G mGr 小结：小结：说一说 汽车不在拱形桥的最高点或最低点时，它的运动该如何求解？为什么？课堂练习课堂练习1、质量、质量 m=100t的火车在轨道上行驶的火车在轨道上行驶,火车内外轨连火车内外轨连线与水平面夹角为线与水平面夹角为370 ，弯道半径，弯道半径R=30m。（南）（南）(1)当火车的速度当火车的速度v1=10m/s时时,轨道何处受侧压轨道何处受侧压力力?方向如何方向如何?（中）（中）(2)当火车的速度当火车的速度v2=15m/s时时,轨道何处受侧压轨道何处受侧压力力?方向如何方向如何?（北）（北

11、）(3)当火车的速度当火车的速度v3=20m/s时时,轨道何处受侧压轨道何处受侧压力力?方向如何方向如何?课堂练习课堂练习2、一辆质量、一辆质量 m=2.0t的小轿车，驶过半径的小轿车，驶过半径R=100m的的一段圆弧形桥面。一段圆弧形桥面。（南）（南）(1)若桥面为凹形，汽车以若桥面为凹形，汽车以20m/s通过桥面最低通过桥面最低点时，对桥面的压力是多大？点时，对桥面的压力是多大？（中）（中）(2)若桥面为凸形，汽车以若桥面为凸形，汽车以10m/s通过桥面最高通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大？点时，对桥面的压力是多大？（北）（北）(3)汽车以多大速度凸形桥面顶点时，对桥面汽车以多大速度凸

12、形桥面顶点时，对桥面刚好没有压力？刚好没有压力？地球可以看做一个巨大的地球可以看做一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地拱形桥，桥面的半径就是地球的半径。会不会出现这样球的半径。会不会出现这样的情况：速度大到一定程度的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力是零？时，地面对车的支持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？力是多少？思考与讨论思考与讨论该“思考与讨论”中描述的情景其实已经实现，不过不是在汽车上，而是在航天飞机中 )(22RvgmRvGmF压由由 可以可以解出解出,当当 时座舱对人的支时座舱对人的支持力持力F支支=0，人处于失重状态，人处于失重状态 Rgv请

13、大家阅读课本请大家阅读课本28页页-思考与讨论思考与讨论 说出你的想法说出你的想法汽车速度增大汽车速度增大v思维拓展思维拓展分析 假设宇宙飞船总质量为假设宇宙飞船总质量为M，它在地球表面附，它在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动近绕地球做匀速圆周运动,速率为速率为V，其轨道半，其轨道半径近似等于地球半径径近似等于地球半径R，航天员质量为，航天员质量为m，宇宙，宇宙飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在飞船和航天员受到的地球引力近似等于他们在地面上的重力试求座舱对宇航员的支持地面上的重力试求座舱对宇航员的支持力通过求解你可以得出什么结论力通过求解你可以得出什么结论? 航天器中的人随航天器一起做匀

14、速航天器中的人随航天器一起做匀速圆周运动，其向心力是由重力提供的，圆周运动，其向心力是由重力提供的，此时此时重力完全用来提供向心力重力完全用来提供向心力，不对其不对其他物体产生压力他物体产生压力，即里面的人和物处于，即里面的人和物处于完全失重状态。完全失重状态。任何一个关闭了发动机，又不受阻力的任何一个关闭了发动机，又不受阻力的飞行器内部，都是一个完全失重的环境飞行器内部，都是一个完全失重的环境航天器中的失重现象：航天器中的失重现象：1 1、特点：物体对支承面或悬挂物的、特点：物体对支承面或悬挂物的作用力为作用力为0 0，处于完全失重状态。，处于完全失重状态。2 2、原因：中心天体（如地球）对

15、航、原因：中心天体（如地球）对航天器的引力全部提供向心力天器的引力全部提供向心力一宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动，距地面一二一宇宙飞船绕地球做匀速圆周运动，距地面一二百千米时，它的轨道半径近似等于地球半径，航百千米时，它的轨道半径近似等于地球半径，航天员受到地球引力近似等于重力天员受到地球引力近似等于重力22()NNvm gFmRvFmgRvgR船舱对航天员的支持力为零，航天员船舱对航天员的支持力为零，航天员处于失重状态。处于失重状态。F=rvm2提提供供物体做圆周物体做圆周运动的向心力运动的向心力物体做圆周运动物体做圆周运动所所需需要要的向心力的向心力当当 “供供”“”“需需”平衡平衡时，物体

16、做圆周时，物体做圆周运动运动想一想：当 “供”“需”不平衡时，物体将如何运动呢？观察观察1 1、定义：、定义： 当向心力突然消失或者指向圆心的合力不足当向心力突然消失或者指向圆心的合力不足时，物体做逐渐远离圆心的运动，叫做离心运时，物体做逐渐远离圆心的运动，叫做离心运动。动。实例 做匀速圆周运动的做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然物体，在所受合力突然消失，或者不足以提供消失，或者不足以提供圆周运动所需的向心力圆周运动所需的向心力的情况下，就做逐渐远的情况下，就做逐渐远离圆心的运动。这种运离圆心的运动。这种运动叫做离心运动。动叫做离心运动。4.离心运动离心运动1、离心运动：、离心运动：2、物体

17、作离心运动的条件：、物体作离心运动的条件：20mrFF合合或做圆周运动的物体，由于本身的惯性，总有沿着圆做圆周运动的物体，由于本身的惯性，总有沿着圆周切线方向飞去的倾向周切线方向飞去的倾向. .小结小结当当F=m2r时，物体做匀速圆周运动时，物体做匀速圆周运动当当F= 0时，物体沿切线方向飞出时，物体沿切线方向飞出当当Fm2r时，物体逐渐远离圆心时，物体逐渐远离圆心当当Fm2r时，物体逐渐靠近圆心时，物体逐渐靠近圆心1、离心运动的防止：、离心运动的防止：1 1、在水平公路上行驶的汽、在水平公路上行驶的汽车转弯时车转弯时F mr2F汽车 在水平公路上行驶的汽车，转在水平公路上行驶的汽车，转弯时所

18、需的向心力是由车轮与路弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的。如果转弯面的静摩擦力提供的。如果转弯时速度过大，所需向心力时速度过大，所需向心力F F大于大于最大静摩擦力最大静摩擦力F Fmaxmax，汽车将做离，汽车将做离心运动而造成交通事故。因此，心运动而造成交通事故。因此，在公路弯道处，车辆行驶不允许在公路弯道处，车辆行驶不允许超过规定的速度。超过规定的速度。Nmgf若车速为若车速为v 需要需要的向心力的向心力F向向=mv2/r 能够能够提供提供的向心力为的向心力为ff F向向,离心运动离心运动f =F向向,圆周运动圆周运动1、汽车在平直轨道上：、汽车在平直轨道上：2、离心运动的应

19、用与防止、离心运动的应用与防止离心运动的应用离心运动的应用离心运动的应用离心运动的应用1 1、离心干燥器的金属网笼、离心干燥器的金属网笼利用离心运动把附着在物利用离心运动把附着在物体上的水分甩掉的装置体上的水分甩掉的装置解释：解释：oFmr2F 当网笼转得比较当网笼转得比较慢时，水滴跟物体的附慢时，水滴跟物体的附着力着力F F足以提供所需的足以提供所需的向心力向心力F F使水滴做圆周使水滴做圆周运动。当网笼转得比较运动。当网笼转得比较快时，附着力快时，附着力F F不足以不足以提供所需的向心力提供所需的向心力F F，于是水滴做离心运于是水滴做离心运动，穿过网孔，飞动，穿过网孔，飞到网笼外面。到网

20、笼外面。 用离心机把用离心机把体温计的水体温计的水银柱甩回玻银柱甩回玻璃泡内璃泡内制作棉花糖的原理：制作棉花糖的原理：内筒与洗衣机的脱水筒相似，里内筒与洗衣机的脱水筒相似，里面加入白砂糖，加热使糖熔化成面加入白砂糖，加热使糖熔化成糖汁。内筒高速旋转，黏稠的糖糖汁。内筒高速旋转，黏稠的糖汁就做离心运动，从内筒壁的小汁就做离心运动，从内筒壁的小孔飞散出去，成为丝状到达温度孔飞散出去，成为丝状到达温度较低的外筒，并迅速冷却凝固，较低的外筒，并迅速冷却凝固，变得纤细雪白，像一团团棉花。变得纤细雪白，像一团团棉花。OF静静vOFv1 1、以下属于离心现象应用的是：（、以下属于离心现象应用的是：（ ）A

21、A、水平抛出去的物体，做平抛运动、水平抛出去的物体，做平抛运动B B、链球运动员加速旋转到一定的速度后、链球运动员加速旋转到一定的速度后 将链球抛开将链球抛开C C、离心干燥器使衣物干燥、离心干燥器使衣物干燥D D、锤头松了，将锤柄在石头上磕几下就、锤头松了，将锤柄在石头上磕几下就 可以把柄安牢可以把柄安牢三、课堂练习三、课堂练习BC2 2、下列关于离心现象的说法中正确的是、下列关于离心现象的说法中正确的是( )( )A A、当物体所受的合外力大于向心力时产生、当物体所受的合外力大于向心力时产生 离心现象离心现象B B、做匀速圆周运动的物体、做匀速圆周运动的物体, ,当它所受的一切力当它所受的

22、一切力 都突然消失后，物体将做都突然消失后，物体将做远离圆心远离圆心的运动的运动C C、做匀速圆周运动的物体、做匀速圆周运动的物体, ,当它所受的一切力当它所受的一切力 都突然消失后，物体将沿都突然消失后，物体将沿切线切线做做直线直线运动运动D D、做匀速圆周运动的物体、做匀速圆周运动的物体, ,当它所受的一切力当它所受的一切力 都突然消失后，物体将做都突然消失后，物体将做曲线曲线运动运动C3 3、下列说法正确的是、下列说法正确的是( )( )A A、作匀速圆周运动的物体，在所受合外力、作匀速圆周运动的物体，在所受合外力 突然消失时，将沿圆周半径方向离开圆心突然消失时，将沿圆周半径方向离开圆心B B、作匀速圆周运动的物体，在所受合外力、作匀速圆周运动的物体，在所受合外力 突然消失时，将沿圆周切线方向离开圆心突然消失时，将沿圆周切线方向离开圆心C C、作匀速圆周运动的物体，它自己会产生、作匀速圆周运动的物体，它自己会产生 一个向心力，维持其作圆周运动一个向心力，维持其作圆周运动D D、作离心运动的物体，是因为受到离心力、作离心运动的物体，是因为受到离心力 作用的缘故作用的缘故B4 4、为了防止汽车在水平路面上转弯时出现、为了防止汽车在水平路面上转弯时出现 “打滑打滑”的现象，可以：的现象，可以：( )( )A、增大汽车转弯时的速度增大汽车转弯时的