【市级公开课课件】6.4.1生活中的圆周运动课件-2021-2022学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

1、6.4.1 6.4.1 生活中的圆周运动生活中的圆周运动物体做匀速圆周运动时需要什么力？谁来提供？物体做匀速圆周运动时需要什么力？谁来提供？向心力，合力提供向心力，合力提供向心力的特点？向心力的特点？方向：方向：大小：大小：时刻指向圆心时刻指向圆心物体做匀速圆周运动时，所受合外力有何特点？物体做匀速圆周运动时，所受合外力有何特点？合外力合外力全部提供全部提供向心力，合外力的向心力，合外力的大小不变大小不变，方向始终，方向始终指指向圆向圆心，时刻变化。心，时刻变化。汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢? ?O mgFNFf一、汽车转弯一、汽车转弯动

2、摩擦因数为动摩擦因数为，转弯半径为R，汽车在汽车在水平路面上转弯水平路面上转弯所需要的安全速度？所需要的安全速度？OmgFNFf匀速圆周匀速圆周时：时：F F合合= =F Fn n运动分析可知：运动分析可知：F Fn n=mv=mv2 2/R/R受力分析可知：受力分析可知：F F合合=f=f即由静摩擦力提供向心力，即由静摩擦力提供向心力，f f=mv=mv2 2/R/Rf f随着速度随着速度v v的的增大而增大增大而增大，当，当v v增大到一定值时，增大到一定值时，f=fmax,f=fmax,速度达到最大值。速度达到最大值。安全转弯的改进措施安全转弯的改进措施: :(1)(1)增增大转弯半大转

3、弯半径径(2)(2)增加路面的粗糙程度增加路面的粗糙程度(3)(3)最重要的一点最重要的一点: :转弯时司机应该转弯时司机应该减速慢行减速慢行! !gRvRvmmgFn2还有没有其它有还有没有其它有效措施？效措施？赛道的设计赛道的设计高速转弯路段高速转弯路段为何设计成为何设计成外高内低外高内低？有何意义？有何意义？汽车在汽车在斜面路基斜面路基上匀速转弯上匀速转弯时，时，假设路面光滑假设路面光滑匀速圆周运动：匀速圆周运动：F合合=Fn=mv2/R受力分受力分析可知：析可知：F合合=mgtan即即mgtan=mv2/RFNF合合mgFftangRv得：力提供向心力时，重力和支持力的合）（tan1g

4、Rv 的静摩擦力提供向心力斜面向时，重力、支持力和沿）（_tan2gRv 的静摩擦力提供向心力斜面向时，重力、支持力和沿）（_tan3gRv 上下下FfO当速度适当当速度适当大大于或小于于或小于该速该速度时，汽车会度时，汽车会安全吗？安全吗？如果安全，如果安全，汽车受力汽车受力有何变化？有何变化？铁路的弯道铁路的弯道问题：火车转弯是什么力提供向心力？ 二、火车转弯二、火车转弯火车车轮的设计火车车轮的设计轮缘的轮缘的作用是作用是什么？什么？卡位和卡位和提供部提供部分向心分向心力力外轨外轨内轨内轨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铁路的弯道内外轨一样高思考思考：火车质量、速度比较

5、大，故所需向心力也火车质量、速度比较大，故所需向心力也很大。铁轨长期被挤压发生形变后果会怎样很大。铁轨长期被挤压发生形变后果会怎样? OFGFN轮缘轮缘铁轨模型铁轨模型铁路的弯道该怎样设计更安全？铁路的弯道外轨高于内轨FNGF合合OFF提供向心力和支持力时，重力）（NFGgRvtan1的弹力提供向心力轨对轮缘斜向时，重力、支持力和）（_tan2gRv 外外的弹力提供向心力轨对轮缘斜向时，重力、支持力和）（_tan3gRv 上上内内下下2tanvmgmRV V很大时，很大时，h h、R R越越大大,L,L越小，火车转弯才安全越小，火车转弯才安全很小时很小时,sintan,sintan内外轨高度差

6、h和轨距L和安全速度v的关系LhFNGF合合例例1、火车以半径火车以半径R= 900 m转弯，火车质量为转弯，火车质量为8105kg ，速度为，速度为30m/s，火车轨距火车轨距l=1.4 m，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨，要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力，轨道应该垫的高度道应该垫的高度h？（？（较小时较小时tan=sin）解：匀速圆周运动有：解：匀速圆周运动有：F合合=Fn=mv2/R 几何分析得：几何分析得：h=Lsin 受力分析得：受力分析得：F合合=mgtan mgsin 联解得联解得h=0.14m解题思路：解题思路：（1）确定研究对象）确定研究对象（2）运动分

7、析：）运动分析：F合合=Fn=m2r 或或 F合合=Fn=mv2/R（3）几何分析：确定轨道平面，圆心和半径，几何分析：确定轨道平面，圆心和半径，（4）受力分析：求合力。受力分析：求合力。（5）求解相关量）求解相关量解：解：(1)匀速圆周运动有：匀速圆周运动有：F合合=Fn=mv2/R 受力分析得：受力分析得：F合合=mgtan 解得解得v=20m/s (2)匀速圆周运动有：匀速圆周运动有：F合合=Fn=mv2/R 受力分析可知：受力分析可知： 竖直方向：竖直方向：F1=mg+f1， 由于由于f=F, 即即Fcos=mg+Fsin， 得得F= mg/(cos-sin) 半径方向：半径方向： F

8、合合=f2+F2=Fcos+Fsin=mg(cos+sin)/(cos-sin) 例例2 . 有有一汽车匀速通过一个路面倾斜的弯道，倾角一汽车匀速通过一个路面倾斜的弯道，倾角tan=0.4，其半径为其半径为100 m.(g取取10 m/s2)(1)求汽车没有受到侧向摩擦力时的速度大小求汽车没有受到侧向摩擦力时的速度大小.(2)若汽车在弯道处与地面动摩擦因数为若汽车在弯道处与地面动摩擦因数为=0.5，最大静摩擦力等于滑动摩，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，求汽车通过弯道时的最大速度擦力，求汽车通过弯道时的最大速度.FmgyxF1F2f1f2f解得解得v=155m/s三、汽车过桥三、汽车过桥拱形拱形桥

9、桥（凸形桥）（凸形桥）凹形桥凹形桥水平桥水平桥汽车过平桥汽车过平桥FNmgmgFN情景情景1：汽车汽车过拱形过拱形桥桥最高点最高点mgFN汽车过拱形桥最高点时，牵引力和阻力汽车过拱形桥最高点时，牵引力和阻力为为切线方向切线方向，向心力由向心力由重力和支持力的重力和支持力的合力提供合力提供。如图所示，可知。如图所示，可知Fn=mg-FN=mv2/R得得FN=mg-(mv2/R)FN mg F FN N与与R R和和V V关系：关系： （1 1）V V一定一定，R R越小越小，F FN N越小越小。 当当R R减小到一定值时，减小到一定值时，F FN N=0=0，恰好脱离桥面：，恰好脱离桥面：mg

10、=mvmg=mv2 2/R/R，半径，半径R R= =_。 （2 2）R R一定一定，V V越大越大，F FN N越小。越小。 当当V V增大到一定值时，增大到一定值时，F FN N=0=0，恰好脱离桥面：，恰好脱离桥面：mg=mvmg=mv2 2/R/R，车速，车速V=V=_。圆心在圆心在哪儿？哪儿？在汽车正在汽车正下方下方f阻阻F牵牵汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于汽车对桥的压力小于其所受重力，即处于失重失重( (具有向下的加速度）具有向下的加速度）v2/g总结：总结：若汽车的速度过大，将会离开桥面做若汽车的速度过大，将会离开桥面做平抛或平抛或斜上抛斜上抛运动运动。汽车恰好汽车恰好离开

11、桥面离开桥面时，则有时，则有F FN N =0=0，故，故FN mg (失重)v gR cos 情景情景2：汽车汽车过拱形过拱形桥桥一般位置一般位置f阻阻F牵牵汽车过拱形桥一般位置时，牵引力和阻力仍汽车过拱形桥一般位置时，牵引力和阻力仍为为切线方向切线方向，向心力由向心力由重力沿半径方向分力重力沿半径方向分力和支持力的和支持力的合力提供合力提供。如图所示，可知。如图所示，可知Fn=mgcos-FN=mv2/R得得FN=mgcos-(mv2/R)所以汽车过凸形桥时，汽车对桥的压力所以汽车过凸形桥时，汽车对桥的压力总小于总小于重力。重力。泸定桥泸定桥过水路面过水路面情景情景1：汽车过凹形桥汽车过凹

12、形桥最低点最低点FNmgFN mg汽车对凹形桥的压力汽车对凹形桥的压力F FN N与桥面半径与桥面半径R R和车速和车速V V关系：关系：（1 1）速度速度V V一定一定，半径，半径R R越小越小，F FN N越大越大，超重愈多，越容易损坏桥梁。，超重愈多，越容易损坏桥梁。（2 2）半径半径R R一定一定，车速，车速V V越大越大，F FN N越大越大，超重愈多，越容易损坏桥梁。，超重愈多，越容易损坏桥梁。圆心在圆心在哪儿？哪儿？在汽车在汽车正上方！正上方！汽车过凹形桥最低点时，牵引力和阻力汽车过凹形桥最低点时，牵引力和阻力为为切线方向切线方向，向心力由向心力由重力和支持力的重力和支持力的合力

13、提供合力提供。如图所示，可知。如图所示，可知Fn=FN-mg=mv2/R得得FN=mg+(mv2/R)f阻阻F牵牵汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重汽车对桥的压力大于其所受重力，即处于超重( (具有向上的加速度）具有向上的加速度）情景情景2：汽车过凹形桥一般位置汽车过凹形桥一般位置FNmg汽车过凹形桥一般位置时，牵引力和阻汽车过凹形桥一般位置时，牵引力和阻力为力为切线方向切线方向，向心力由向心力由重力和支持力重力和支持力的的合力提供合力提供。如图所示，可知。如图所示，可知Fn=FN-mgcos=mv2/R得得FN=mgcos+(mv2/R)f阻阻F牵牵F压压FN mg失重失重超重超重F压

14、压FN mgF压压FN mg例例1、一辆汽车匀速率通过半径为一辆汽车匀速率通过半径为R的圆弧拱形路面最高点的过程，关于的圆弧拱形路面最高点的过程，关于汽车的受力情况，（不考虑摩擦阻力）下列说法正确的是汽车的受力情况，（不考虑摩擦阻力）下列说法正确的是（ ）A、汽车对路面的压力大小不变，总是等于汽车重力、汽车对路面的压力大小不变，总是等于汽车重力B、汽车对路面的压力大小不断发生变化，总是小于汽车重力、汽车对路面的压力大小不断发生变化，总是小于汽车重力C、汽车的牵引力不发生变化、汽车的牵引力不发生变化D、汽车的牵引力逐渐变小、汽车的牵引力逐渐变小BD例例2. 一辆质量一辆质量 m =2 t 的轿车

15、，驶过半径的轿车，驶过半径 R = 50 m 的一段凸形桥面，的一段凸形桥面，g 取取 10 m/s2，求，求:(1) 轿车以轿车以 10 m/s 的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多大?(2) 在最高点对桥面的压力等于轿车重力的一半时，车的速度大小是多少在最高点对桥面的压力等于轿车重力的一半时，车的速度大小是多少?16000 N51 0 m /s四、航天器中的失重现象四、航天器中的失重现象地球可以看做一个地球可以看做一个巨大的拱形桥巨大的拱形桥，桥面的半径桥面的半径就是就是地球的地球的半半径径. .会不会会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，

16、出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支地面对车的支持力是零？持力是零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？这时驾驶员与座椅之间的压力是多少？mg 地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半地球可以看作一个巨大的拱型桥，其半径就是地球半径径R=R= 6400km6400km，若汽车不断加速，则地面对它的支持力就，若汽车不断加速，则地面对它的支持力就会变小，汽车速度多大时，支持力会变成零会变小，汽车速度多大时，支持力会变成零F FN N=0=0？此时司机处于此时司机处于完全失重状态完全失重状态。20vm gmR-=由由7.9/vgRkms=得得1、航天器在、航天器在发射升空发射升空（加

17、速上升）（加速上升）时，航天员处在超重还是失重状态？时，航天员处在超重还是失重状态？2、航天器在轨道、航天器在轨道正常运行正常运行（绕地球做匀速圆周运（绕地球做匀速圆周运动）时，航天员处在超重还是失重状态？动）时，航天员处在超重还是失重状态？超重超重FNmga?FNmg maFNmg航天器、座舱、航天员加速度相同，所以都由受到万有引力提供向心航天器、座舱、航天员加速度相同，所以都由受到万有引力提供向心力，所以支持力力，所以支持力FN0 ，航天员处于，航天员处于完全完全失重失重.3、航天员完全、航天员完全失重的本质：失重的本质：是是弹力为零，弹力为零，不是不是重力为零，重力为零，只是只是太空处太

18、空处重力重力比地表处重力变小比地表处重力变小.是离地球太远，从是离地球太远，从而摆脱了地球引力而摆脱了地球引力吗？吗？五、离心运动五、离心运动O1、定义：做匀速圆周运动的物体，在所受定义：做匀速圆周运动的物体，在所受合力突然消失合力突然消失，或者不足或者不足以提供以提供圆周运动所需的圆周运动所需的向心力时向心力时，做逐渐，做逐渐远离圆心远离圆心的运动，这种运的运动，这种运动叫做离心动叫做离心运动运动. .2、条件：条件：0 F合合Fn=m2rF 合合= = 0 ，物体沿切线方向飞出远离圆心物体沿切线方向飞出远离圆心F合合m2r ，物体做物体做介于介于切线和圆周之间的曲线运切线和圆周之间的曲线运

19、动动逐渐远离圆心的运动逐渐远离圆心的运动F合合= =m2r ，物体做物体做匀速圆周运动匀速圆周运动(1) 当当 Fm2r 时，物体做匀速圆周运时，物体做匀速圆周运动；动；(2) 当当 F0 时，物体沿切线方向飞出；时，物体沿切线方向飞出；(3) 当当 Fm2r 时，物体逐渐远离圆心；时，物体逐渐远离圆心；(4) 当当 Fm2r 时，物体逐渐靠近圆心做近心时，物体逐渐靠近圆心做近心或向心运动。或向心运动。离心运动的动力学本质：离心运动的动力学本质：（1 1）物体做离心运动，并）物体做离心运动，并不是不是受到受到“离心力离心力”作用，作用，更不是更不是“离心离心 力力”大于向心力，大于向心力，而是

20、而是外界提供的向心力不足或突然消失。外界提供的向心力不足或突然消失。（2 2）离心运动）离心运动不是不是沿着半径背离圆心的运动，沿着半径背离圆心的运动，而是而是沿着切线或曲线离沿着切线或曲线离 心的运动。心的运动。(1)离心运动的应用离心运动的应用甩干雨伞上的水滴甩干雨伞上的水滴附着力附着力水滴做圆周运水滴做圆周运动所需的动所需的向心力向心力,。 水滴受到的水滴受到的附着力附着力 F 小于水滴做圆周运动小于水滴做圆周运动所需要的所需要的向心力向心力,于是水滴做离心运动于是水滴做离心运动,离心干燥器离心干燥器制作制作“棉花棉花”糖原理：糖原理：糖汁做离心运动，从筒壁小孔飞散糖汁做离心运动，从筒壁

21、小孔飞散出去，迅速冷却凝固，像一团棉花。出去，迅速冷却凝固，像一团棉花。 液态液态金属作离心运动，使金属作离心运动，使液态金属和液态金属和液态金属里的气体和熔渣液态金属里的气体和熔渣自动分离自动分离“离心浇铸离心浇铸”无缝钢管无缝钢管要使原来作要使原来作匀速圆周运动匀速圆周运动的物体的物体作离心运动作离心运动，该怎么办？，该怎么办？1、提高转速，使所需向心力增大到大于物体所受合、提高转速，使所需向心力增大到大于物体所受合外力外力. .2、减小合外力或使其、减小合外力或使其消失消失. . F合合Fn=m2r F合合Fn=m2r (1)离心运动的防止离心运动的防止要防止离心现象发生，要防止离心现象发生，该怎么办？该怎么办？1、减小物体运动的速度，使物体作圆周运动时所需的向心力、减小物体运动的速度，使物体作圆周运动时所需的向心力减小减小. .2、增大合外力，使其达到物体作圆周运动时所需的、增大合外力，使其达到物体作圆周运动时所需的向心力向心力. . F合合Fn=m2r F合合Fn=m2r 砂轮砂轮转速过高时，内转速过高时，内部分子间相互作用力部分子间相互作用力不足以提供所需向心不足以提供所需向心力，离心运动使它们力，离心运动使它们破裂破裂，酿成，酿成事故事故. .1. 如图所示，光滑水平面上，质量为如图所示，光滑水平面上，质量为 m 的小球在拉力的小球在拉力 F 作