人教版 (2019)必修 第二冊4 生活中的圓周運(yùn)動(dòng)優(yōu)秀課件ppt

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1.會分析火車轉(zhuǎn)彎、汽車過拱形橋等實(shí)際運(yùn)動(dòng)問題中向心力的來源，能解決生活中的圓周運(yùn)動(dòng)問題.2.了解航天器中的失重現(xiàn)象及原因.3.了解離心運(yùn)動(dòng)及物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件，知道離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用及危害
同學(xué)們，你們了解有關(guān)高鐵技術(shù)的一些參數(shù)么？觀察下表，試找出高鐵時(shí)速與最小曲線半徑的規(guī)律？
在鐵路彎道處，內(nèi)、外軌道的高度一樣嗎？
正常行駛時(shí)，火車軌道的內(nèi)外軌是一樣高的。如果在火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，火車在這樣的軌道上行駛會發(fā)生什么？
外軌對輪緣的彈力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.
如果外軌略高于內(nèi)軌，情況又如何呢？
再以火車為研究對象進(jìn)行受力分析，確定提供的向心力大小
通過對比發(fā)現(xiàn)，如果使外軌略高于內(nèi)軌，火車轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌對火車的支持力與重力的合力指向圓心，提供了一部分向心力，這就減輕了輪緣與外軌間的擠壓。
先確定軌道平面，是1，還是2？
我們?nèi)绾斡?jì)算這種情況下的向心力呢？
火車轉(zhuǎn)彎的臨界速度的推導(dǎo)
我們先假設(shè)火車某次過傾角為θ的彎道時(shí)，火車與軌道之間沒有擠壓，求此時(shí)的速度v0：
火車轉(zhuǎn)彎的向心力由重力與軌道對火車的支持力提供
火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度和輪緣與軌道之間的相互作用
由以上分析可以看到，根據(jù)彎道半徑和規(guī)定的行駛速度，選擇合適的內(nèi)外軌的高度差h ,可以使火車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需向心力幾乎完全由重力和支持力的合力提供
（3）如果火車行駛速度vv0
輪緣受到外軌向內(nèi)的擠壓力, 外軌易損壞。
（1）如果火車行駛速度v=v0
輪緣不受側(cè)向壓力,最安全的轉(zhuǎn)彎速度
輪緣受到內(nèi)軌向外的擠壓力, 內(nèi)軌易損壞。
鐵路彎道處超速是火車脫軌和翻車的主要原因
觀看視頻。高速公路轉(zhuǎn)彎處和場地自行車比賽的賽道，路面往往有一定的斜度。說說這樣設(shè)計(jì)的原因？
火車轉(zhuǎn)彎可近似看成是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)火車以規(guī)定速度行駛時(shí)，內(nèi)外軌道均不受側(cè)向擠壓?，F(xiàn)要降低火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的規(guī)定速度，須對鐵路進(jìn)行改造，從理論上講以下措施可行的是(　　)A．減小內(nèi)外軌的高度差B．增加內(nèi)外軌的高度差C．減小彎道半徑D．增大彎道半徑
二、汽車過拱形橋和凹形橋
生活中，常見橋有很多種，下面先討論經(jīng)過拱形橋的情景。
質(zhì)量為m的汽車在拱形橋上以速度v行駛，若橋面的圓弧半徑為R，試畫出受力分析圖，分析汽車通過橋的最高點(diǎn)時(shí)對橋的壓力．
由牛頓第三定律得，汽車通過橋的最高點(diǎn)時(shí)對橋的壓力：
下面先討論經(jīng)過凹形橋的情景。
下面自己分析汽車通過凹形橋最低點(diǎn)時(shí)，汽車對橋的壓力比汽車的重力大些還是小些?
由牛頓第三定律得，汽車通過橋的最高點(diǎn)時(shí)對橋的壓力
有一輛質(zhì)量為800千克的小汽車駛上圓弧半徑為50米的拱橋。（1）汽車到達(dá)橋頂?shù)乃俣葹?米/秒，汽車對橋的壓力多大?（2）汽車以多大速度經(jīng)過橋頂時(shí)恰好騰空，對橋沒有壓力？（3）對于同樣的車速，拱形圓弧的半徑大些比較安全，還是小些比較安全？（4）如果拱形橋的半徑增大到與地球半徑R一樣，汽車要在橋面上騰空，速度要多大？
（1）7600N (2)22.4米/秒 （3）半徑越大越安全 （4）8000米/秒
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.會不會出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時(shí)，地面對車的支持力是零？這時(shí)駕駛員與座椅之間的壓力是多少？……
該“問題探究”中描述的情景其實(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．
三、航天器中的失重現(xiàn)象
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)？
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)？
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得的體重mg .
有人把航天器失重的原因說成是它離地球太遠(yuǎn)，從而擺脫了地球引力，這種說法對嗎？
上述觀點(diǎn)是錯(cuò)誤。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環(huán)繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。若沒有引則不會繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)。
當(dāng) 時(shí)，座艙對航天員的支持力為多少？
從視頻中我們可以看到，如果旋轉(zhuǎn)桌子的速度較小，物品能隨著桌子一起轉(zhuǎn)動(dòng)；如果速度變大，物體將會“飛出去”，這是什么原因呢？
將生活中的場景，抽象為物理模型
靜摩擦力提供了向心力，如果最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力
當(dāng)v>v0，合力不足以提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，物體將遠(yuǎn)離圓心，而 “飛出去”。
F合 = mω2r，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
F合＜mω2r ，物體做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)
F 合= 0 ，物體沿切線方向飛出遠(yuǎn)離圓心
定義：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在所受合力突然消失，或者不 足以提供圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力時(shí)，做逐漸遠(yuǎn)離圓心的 運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)叫做離心運(yùn)動(dòng).
要使原來作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體作離心運(yùn)動(dòng)，該怎么辦？
（1）提高轉(zhuǎn)速，使所需向心力增大到大于物體所受合外力.
（2）減小合外力或使其消失.
在水平公路上行駛的汽車，轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力是由車輪與路面的靜摩擦力提供的.如果轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過大，所需向心力Fn大于最大靜摩擦力Fmax （Fmax不足以提供向心力），汽車將做離心運(yùn)動(dòng)而造成交通事故.因此，在公路彎道處，車輛行駛不允許超過規(guī)定的速度.
要防止離心現(xiàn)象發(fā)生，該怎么辦？
（1）減小物體運(yùn)動(dòng)的速度，使物體作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的向心力減小.
（2）增大合外力，使其達(dá)到物體作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的向心力.
有一輛質(zhì)量為2000千克的汽車在水平公路上行駛，輪胎與路面間的最大靜摩擦力為14000牛頓。汽車經(jīng)過半徑為50米的彎路時(shí)，如果車速達(dá)到72千米/小時(shí)，這輛車會不會發(fā)生側(cè)滑？
五、豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題
“水流星”是我國傳統(tǒng)的雜技節(jié)目，演員將盛水的容器用繩子拴住，在空中如流星般快速舞動(dòng)，同時(shí)表演高難度的動(dòng)作。你知道水為什么灑出來嗎？
豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，一般情況下是變速圓周運(yùn)動(dòng)，物體能否通過最高點(diǎn)是有條件的。
輕繩（或內(nèi)軌道）——小球組成無支撐的物理模型（稱為“輕繩模型”）
注：“輕繩”只能對小球產(chǎn)生拉力，不能產(chǎn)生支持力。（內(nèi)軌道約束類似）
假設(shè)質(zhì)量為m的小球達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)的速度為v,受到繩子的拉力為T，則根據(jù)牛頓第二定律，可以得出
當(dāng)T=0時(shí)，小球再做高點(diǎn)的速度為最小，即：
輕繩（或內(nèi)軌道）—無支撐的物理模型（稱為“輕繩模型”）
（1）小球恰好能達(dá)到最高點(diǎn)的臨界條件是：
小球在最高點(diǎn)時(shí)，繩子恰好對小球沒有力的作用
（2）小球恰好能通過最高點(diǎn)的條件是 ： ， 當(dāng) 繩子有拉力（軌道對球有壓力）。
（3）當(dāng) ，小球還未達(dá)到最高點(diǎn)就離開軌道。
輕桿（或管道）—有支撐的物理模型（稱為“輕桿模型”）
注：“輕桿”既能對小球產(chǎn)生拉力，也能產(chǎn)生支持力。（管道約束類似）
球過最高點(diǎn)時(shí)，設(shè)輕桿對小球產(chǎn)生的彈力FN方向向上。由牛頓第二定律得：
由此可知：彈力FN的大小和方向隨著經(jīng)最高點(diǎn)時(shí)速度v的大小的變化而變化。
（1）小球恰好能達(dá)到最高點(diǎn)的臨界條件是： ， 故而v0>0就可以通過最高點(diǎn)。
（2） 當(dāng) ，F(xiàn)N為支持力，方向豎直向上，且隨著速度增大而減小。
（3）當(dāng) ，F(xiàn)N=0
（4）當(dāng) ，F(xiàn)N為拉力，方向豎直向下，且隨著速度增大而增大。
如圖所示，一個(gè)小球沿豎直固定的光滑圓形軌道的內(nèi)側(cè)做圓周運(yùn)動(dòng)，圓形軌道的半徑為R，小球可看作質(zhì)點(diǎn)，則關(guān)于小球的運(yùn)動(dòng)情況，下列說法正確的是（ ） A. 小球的線速度方向時(shí)刻在變化，但總在圓周切線方向上B. 小球通過最高點(diǎn)的速度可以等于0C. 小球線速度的大小可以小于 D. 小球線速度的大小總大于或等于
1．討論向心力的來源2．外軌高于內(nèi)軌時(shí)重力與支持力的合力是使火車轉(zhuǎn)彎的向心力3．討論：為什么轉(zhuǎn)彎處的半徑和火車運(yùn)行速度有條件限制?
1．離心現(xiàn)象的分析與討論．2．離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用和防止．
1．思考：汽車過拱形橋時(shí)，對橋面的壓力 與重力誰大?2．圓周運(yùn)動(dòng)中的超重、失重情況．
豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題
1．輕繩模型2．輕桿模型
1、鐵路在彎道處的內(nèi)外軌道高度是不同的，已知內(nèi)外軌道平面與水平面的夾角為θ，如圖所示，彎道處的圓弧半徑為R，若質(zhì)量為m的火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度等于，則(　　)A．內(nèi)軌對內(nèi)側(cè)車輪輪緣有擠壓B．外軌對外側(cè)車輪輪緣有擠壓C．這時(shí)鐵軌對火車的支持力等于mg/cs θD．這時(shí)鐵軌對火車的支持力大mg/cs θ
2、如圖所示，汽車在炎熱的夏天沿不平的曲面行駛，其中最容易發(fā)生爆胎的點(diǎn)是(假定汽車運(yùn)動(dòng)速率va＝vc，vb＝vd)(　　)A．a(chǎn)點(diǎn) B．b點(diǎn) C．c點(diǎn) D．d點(diǎn)
4、如圖所示，在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的洗衣機(jī)脫水筒內(nèi)壁上，有一件濕衣服隨圓筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)而未滑動(dòng)，則(　　 )A．衣服隨脫水筒做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由衣服的重力提供B．水會從脫水筒甩出是因?yàn)樗问艿降南蛐牧艽驝．加快脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，衣服對筒壁的壓力增大D．加快脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，脫水效果會更好
5、某人為了測定一個(gè)凹形橋的半徑，在乘汽車通過凹橋最低點(diǎn)時(shí)，他注意到車上的速度計(jì)示數(shù)為72km/h，懸掛1kg鉤碼的彈簧秤的示數(shù)為11.8N，則橋的半徑為多大?（g取9.8m/s2）