生活中的圓周運(yùn)動(dòng)【知識(shí)導(dǎo)航+拓展遷移】 高一物理 （人教版2019必修第二冊(cè)）

第六章

人教版

高中物理必修二第4節(jié)

生活中的圓周運(yùn)動(dòng)汽車轉(zhuǎn)彎02火車轉(zhuǎn)彎01拱形橋03航天器中的超失重04離心運(yùn)動(dòng)05

問題與思考：在鐵路彎道處，內(nèi)、外軌道的高度一樣嗎？為什么這樣設(shè)計(jì)呢？課堂引入火車轉(zhuǎn)彎PART01車輪的構(gòu)造01FNFG外軌對(duì)輪緣的彈力F提供向心力F=F向火車質(zhì)量很大,故輪緣和外軌間的相互作用力很大,易損壞鐵軌.

怎么辦？?jī)?nèi)外軌一樣高時(shí)轉(zhuǎn)彎02θFNGF合θ外軌略高于內(nèi)軌轉(zhuǎn)彎所需的向心力的方向是在水平方向上而不是在與斜面平行的方向上。外軌高于內(nèi)軌時(shí)轉(zhuǎn)彎03OOGFNF合θθF合＝mgtanθ軌道對(duì)輪緣無(wú)擠壓，此時(shí)火車的速度為多大？火車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力Fn=

m

v2Rv＝gRtanθ

若火車的速度大于或小于這個(gè)值時(shí)，軌道對(duì)輪緣有擠壓?jiǎn)幔?/p>

當(dāng)v＜gRtanθ

：

當(dāng)v＞gRtanθ

：GFNθ輪緣受到外軌向內(nèi)的彈力GFNθFF輪緣受到內(nèi)軌向外的彈力真實(shí)的火車轉(zhuǎn)彎04GFFn飛機(jī)轉(zhuǎn)彎05類似于火車轉(zhuǎn)彎汽車轉(zhuǎn)彎的情況是不是也類似于火車和飛機(jī)呢？汽車轉(zhuǎn)彎PART02OmgFNFf問題與思考01汽車在水平地面上轉(zhuǎn)彎是什么力提供向心力的呢?汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎所需要的向心力來(lái)源:汽車側(cè)向所受的靜摩擦力。OmgFNFf當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎的半徑一定時(shí),汽車的速度v越大,所需的向心力也越大,靜摩擦力也越大,當(dāng)靜摩擦力為最大靜摩擦力時(shí):向心力來(lái)源02由此可見:當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí),存在一個(gè)安全通過的最大速度,如果超過了這個(gè)速度,汽車將發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象。改進(jìn)措施:1.增大轉(zhuǎn)彎半徑2.增加路面的粗糙程度3.最重要的一點(diǎn):司機(jī)應(yīng)該減速慢行4.增加路面高度差——外高內(nèi)低問題與思考03高速路和賽道轉(zhuǎn)彎處修成外高內(nèi)低。NFnmg生活實(shí)例04為了保證汽車過橋時(shí)汽車和橋梁的安全，在橋梁的設(shè)計(jì)上有沒有要求？拱形橋PART03拱形橋（凸形橋）凹形橋水平橋三種可能的形狀01問題1：汽車靜止在橋上與通過平橋時(shí)，受力怎樣？F壓＝FN＝mg問題與探究02問題2：汽車過拱形橋時(shí)，在最高點(diǎn)時(shí)，車對(duì)凸橋的壓力又怎樣？mgFNv2Rmg－FN＝mv2RFN

＝mg－mv2RF壓＝FN

＝mg－m汽車對(duì)橋的壓力小于其所受重力，即處于失重狀態(tài)F壓

＜mg問題與探究02v2Rmg＝m當(dāng)FN

=0

時(shí)，汽車脫離橋面，做平拋運(yùn)動(dòng)，汽車及其中的物體處于完全失重狀態(tài)。FN＝0

時(shí)，汽車的速度為多大？v2RFN

＝mg－m問題3：汽車過拱形橋時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度變大，車對(duì)拱橋的壓力如何變化？mgFN臨界速度問題與探究02問題4：汽車過凹形橋在最低點(diǎn)時(shí)，車對(duì)凹形橋的壓力又怎樣？FNmgv2RFN

＝mg+

mv2RF壓＝FN

＝mg+

mv2RFN－mg＝m汽車對(duì)橋的壓力大于其所受重力，即處于超重狀態(tài)若汽車通過凹橋的速度增大，會(huì)出現(xiàn)什么情況？F壓

＞mg問題與探究02FN=GGFNGGFNFN比較三種橋面的受力情況0324凸形橋25凹形橋?yàn)o定橋

地球可以看做一個(gè)巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球的半徑.會(huì)不會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時(shí)，地面對(duì)車的支持力是零？這時(shí)駕駛員與座椅之間的壓力是多少？……問題與思考04【例題】地球可以看作一個(gè)巨大的拱型橋，其半徑就是地球半徑R=

6400km，若汽車不斷加速，則地面對(duì)它的支持力就會(huì)變小，汽車速度多大時(shí)，支持力FN會(huì)變成零？此時(shí)司機(jī)處于完全失重狀態(tài)?！窘馕觥坑傻眠@里描述的情景其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，不過不是在汽車上，而是在航天飛機(jī)中。算一算05航天器中的超失重問題PART041.航天器在發(fā)射升空（加速上升）時(shí)，航天員處在超重還是失重狀態(tài)？2.航天器在軌道正常運(yùn)行（繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)）時(shí)，航天員處在超重還是失重狀態(tài)？超重FNmgaFN－mg＝maFN＞mg問題與探究01【解析】航天器繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，假設(shè)它的線速度的大小為v，軌道半徑近似等于地球半徑R，航天員受到的地球引力近似等于他在地面測(cè)得的體重mg.v2RFN＝mg－mv2Rmg－FN＝mFN

＜mg失重當(dāng)

時(shí)，座艙對(duì)航天員的支持力FN＝0，航天員處于完全失重.分析與解讀02有人把航天器失重的原因說(shuō)成是它離地球太遠(yuǎn)，從而擺脫了地球引力，這種說(shuō)法對(duì)嗎？正是由于地球引力的存在，才使航天器連同其中的人和物體繞地球做圓周運(yùn)動(dòng).思考與拓展03如果地球的引力突然消失，航天器將做什么樣的運(yùn)動(dòng)呢？離心運(yùn)動(dòng)PART05定義：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在其所受合外力突然消失，或不足以提供圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力的情況下，就做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)叫作離心運(yùn)動(dòng)。做離心運(yùn)動(dòng)的條件：離心運(yùn)動(dòng)01物體做離心運(yùn)動(dòng)，并不是受到“離心力”作用，更不是“離心力”大于向心力，而是外界提供的向心力不足或突然消失。離心運(yùn)動(dòng)不是沿著半徑背離圓心的運(yùn)動(dòng)，而是沿著切線或曲線離心的運(yùn)動(dòng)。理解02離心拋擲離心脫水離心澆注離心分離生活中的離心運(yùn)動(dòng)03OF靜v當(dāng)時(shí)，汽車做離心運(yùn)動(dòng)

Fmax＜m

v2r生活中的離心運(yùn)動(dòng)03當(dāng)F＝mω2r時(shí)，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)F＝0時(shí)，物體沿切線方向飛出；當(dāng)F＜mω2r時(shí)，物體逐漸遠(yuǎn)離圓心；當(dāng)F＞mω2r時(shí)，物體逐漸靠近圓心。規(guī)律總結(jié)04總結(jié)提升PART06課堂小結(jié)火車轉(zhuǎn)彎汽車過橋失重現(xiàn)象離心運(yùn)動(dòng)

當(dāng)v＜gRtanθ

：

當(dāng)v＞gRtanθ

：輪緣受到外軌向內(nèi)的彈力輪緣受到內(nèi)軌向外的彈力FN<mg:失重FN>mg:超重做離心運(yùn)動(dòng)的條件：【練習(xí)1】（2022秋·重慶市育才中學(xué)高一期末）（多選）在修筑鐵路時(shí)，彎道處的外軌會(huì)略高于內(nèi)軌。如圖所示，當(dāng)火車以規(guī)定的行駛速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)、外軌均不會(huì)受到輪緣的擠壓，設(shè)此時(shí)的速度大小為v，重力加速度為g，兩軌所在面的傾角為θ，則（）A．該彎道的半徑B．當(dāng)火車質(zhì)量改變時(shí)，規(guī)定的行駛速度大小不變C．當(dāng)火車速率大于v時(shí)，內(nèi)軌將受到輪緣的擠壓D．當(dāng)火車速率小于v時(shí)，外軌將受到輪緣的擠壓【參考答案】AB課堂練習(xí)【練習(xí)2】汽車在過凹凸路面時(shí)，都會(huì)做減速操作，如圖A、B分別是一段凹凸路面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，若把汽車視作質(zhì)點(diǎn)，則下列說(shuō)法正確的是（）A．汽車行駛到A點(diǎn)時(shí)，處于超重狀態(tài)，如果采取加速操作會(huì)使車胎受到更大的壓力B．汽車行駛到B點(diǎn)時(shí)，處于超重狀態(tài)，如果采取加速操作會(huì)使汽車飛離路面C．汽車行駛到A點(diǎn)時(shí)，處于失重狀態(tài)，如果采取減速操作會(huì)增加車胎與路面間的彈力，使得行駛更加穩(wěn)定安全D．汽車行駛到B點(diǎn)時(shí)，處于失重狀態(tài)，如果采取減速操作會(huì)增加車胎與路面間的彈力，使得行駛更加穩(wěn)定安全【參考答案】C課堂練習(xí)【練習(xí)3】翻滾過山車是一種非常刺激而有趣的游樂項(xiàng)目。如圖甲所示，小剛同學(xué)所坐的翻滾過山車正在下行中，如圖乙所示，他此時(shí)所做的運(yùn)動(dòng)及所受合力的可能方向分別是（）A．勻速圓周運(yùn)動(dòng)、沿F1方向 B．勻速圓周運(yùn)動(dòng)、沿F2方向C．加速圓周運(yùn)動(dòng)、沿F3方向 D．減速圓周運(yùn)動(dòng)、沿F2方向【參考答案】C課堂練習(xí)【練習(xí)4】（2023秋·長(zhǎng)春外國(guó)語(yǔ)高一期末）（多選）若將短道速滑運(yùn)動(dòng)員在彎道轉(zhuǎn)彎的過程看成在水平冰面上的一段勻速圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎時(shí)冰刀嵌入冰內(nèi)從而使冰刀受與冰面夾角為θ（蹬冰角）的支持力，不計(jì)一切摩擦，彎道半徑為R，重力加速度為g。以下說(shuō)法正確的是（）A．地面對(duì)運(yùn)動(dòng)員的作用力與重力與重力大小相等B．武大靖轉(zhuǎn)彎時(shí)速度的大小為C．若武大靖轉(zhuǎn)彎速度變大則需要減小蹬冰角D．武大靖做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，他所受合外力保持不變【參考答案】BC課堂練習(xí)【練習(xí)5】氣嘴燈安裝在自行車的氣嘴上，騎行速度在一定范圍內(nèi)會(huì)發(fā)光。一種氣嘴燈的感應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)如圖所示，一重物套在光滑桿上，并與彈簧連接，重物上的觸點(diǎn)M與固定在B端的觸點(diǎn)N接觸后，LED燈就會(huì)發(fā)