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6.4 生活中的圓周運動 課件(共42張PPT) 2024-2025學年高中物理人教版(2019)必修第二冊

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6.4 生活中的圓周運動 課件(共42張PPT) 2024-2025學年高中物理人教版(2019)必修第二冊

資源簡介

(共42張PPT)
第四節 生活中的圓周運動
第六章 圓周運動
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
素養目標
1.會分析火車轉彎、汽車過拱橋等實際運動問題中向心力的來源,能解決生活中的圓周運動問題
2.了解航天器中的失重現象及原因
3.觀察生活中的離心現象,知道離心運動產生的原因,了解其在生活中的應用,并知道離心運動所帶來的危害
在鐵路彎道處,稍微留意一下,就能發現內、外軌道的高度略有不同;賽車選手在過彎時都會盡量搶占彎道內側。你能解釋其中的原因嗎?
新課講解
過山車
悠悠球
秋千
旋轉木馬
生活中的圓周運動還有哪些?
下面我們借助幾個例子分析圓周運動。
一、火車轉彎
觀察汽車過彎和火車轉彎,你發現了什么嘛?它們的輪胎有什么特別的地方嗎?
與汽車輪胎不同的是,火車的車輪上有突出的輪緣。
火車的車輪上會什么會設置輪緣呢,想一想它的作用。
輪緣
輪緣的作用
由于該彈力是由輪緣和外軌的擠壓產生的,且由于火車質量很大,故輪緣和外軌間的相互作用力很大,易損壞鐵軌
F
火車轉彎時,外側車輪的輪緣擠壓外軌,使外軌發生彈性形變,外軌對輪緣的彈力是火車轉彎所需向心力的主要來源
思考一下:鐵路彎道處,外軌略高于內軌有什么作用?
轉彎所需的向心力由火車所受支持力FN與自身重力G的合力提供
FN
G
F合
θ
外軌略高于內軌
O
O
G
FN
F合
θ
θ
F合=mg tanθ
軌道對輪緣無擠壓,此時火車的速度為多大?
火車轉彎時所需的向心力
Fn = m
v2
R
v= gR tanθ
若火車的速度大于或小于這個值時,軌道對輪緣有擠壓嗎?
質量為m的火車轉彎時,做勻速圓周運動的軌道半徑為r,軌道的傾角為θ,求火車速度多大時對軌道無側向壓力。
火車轉彎規定臨界速度:
經典例題
質量為m的火車轉彎時,做勻速圓周運動的軌道半徑為r,軌道寬L,高度差為h,求火車速度多大時對軌道側向無壓力。
思考: ①如果v行駛>v臨界,情況如何? ②如果v行駛O
G
FN
F合
θ
θ
任何一個力或幾個力的合力,其作用效果是使物體產生向心加速度,那么該力就是物體的向心力
賽車車道的轉彎處,路面往往也有一定的斜度
為了快速過彎,摩托車手會壓低車身向彎道內側
拱形橋
吊橋
凸形路面
凹形路面
二、汽車過拱形橋
質量為m的汽車在拱形橋上以速度 v 前進,設橋面的圓弧半徑為 r 我們來分析汽車通過橋的最高點時對橋的壓力。
它們的合力就是使汽車做圓周運動的向心力 F,向心加速度的方向豎直向下。
汽車通過拱形橋
a
mg
FN
v
a
mg
FN
v
v2
R
mg-FN=m
v2
R
FN =mg-m
v2
R
F壓=FN =mg-m
FN <mg
汽車對橋的壓力小于其所受重力,即處于失重
a
mg
FN
v
當 FN = 0 時,汽車脫離橋面,做平拋運動,汽車及其中的物體處于完全失重狀態。
v2
R
FN =mg-m
臨界速度
想一想,當速度在增大時,會發生什么?
汽車靜止在橋上或通過水平橋時,受力怎樣?
F壓=FN=mg
汽車過凹形橋時,在最低點時,車對凹形橋的壓力又怎樣?
FN
mg
v2
R
F壓=FN =mg + m
v2
R
FN-mg=m
FN >mg
汽車對橋的壓力大于其所受重力,即處于超重
用實驗模擬汽車過橋
地球可以看做一個巨大的拱形橋,橋面的半徑就是地球的半徑。會不會出現這樣的情況:速度大到一定程度時,地面對車的支持力為零?這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少?
思考與討論
FN
mg
a
三、航天器中的失重現象
1、航天器在發射升空(加速上升)
航天器在發射升空(加速上升)時:FN-mg =ma
FN=ma+mg 航天員處在超重狀態。
2、航天器繞地球做勻速圓周運動時
當飛船距地面高度為 100 200 km 時,它的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受到的重力mg。
除了地球引力外,航天員還可能受到飛船座艙對他的支持力 FN。
引力與支持力的合力為他提供了繞地球做勻速圓周運動所需的向心力 即:
mg - FN =mFN =m(g-)
由此可以解出,當v = 時座艙對
航天員的支持力FN = 0,航天員處于
完全失重狀態。
如果地球的引力突然消失,航天器將做什么樣的運動呢?
有人把航天器失重的原因說成是它離地球太遠,從而擺脫了地球引力,這種說法對嗎?
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動.
F合<mω2r ,
O
F合 = mω2r,
F 合= 0 ,
物體沿切線方向飛出遠離圓心
物體做勻速圓周運動
物體做逐漸遠離圓心的運動
0 ≤F合<mω2r
F =
F <
F >
勻速圓周運動
離心運動
向心運動
四、離心運動
四、離心運動
1、定義:物體沿切線飛出或做逐漸遠離圓心的運動。
2、原因:向心力突然消失或外力不足以提供所需向心力。
3、合力與向心力的關系對圓周運動的影響
4、離心運動的實質:離心現象的本質是物體慣性的表現。做圓周運動的物體,由于慣性,總是有沿著圓周切線飛出去的趨向,之所以沒有飛出去,是因為受到向心力的作用。從某種意義上說,向心力的作用是不斷地把物體從圓周運動的切向方向拉回到圓周上來。
當 F=mω2r 時,物體做勻速圓周運動;
當 F=0 時,物體沿切線方向飛出;
當 F<mω2r 時,物體逐漸遠離圓心;
當 F>mω2r 時,物體逐漸靠近圓心。
離心脫水
離心分離
擲鏈球
例1 如圖所示,下列有關生活中的圓周運動實例分析,其中說法正確的是( )
A.汽車通過凹形橋的最低點時,汽車處于超重狀態
B.鐵路的轉彎處,通常要求外軌比內軌高,是為了利用輪緣與外軌的側壓力助火車轉彎
C.雜技演員表演“水流星”,當它通過最高點時處于完全失重狀態,不受重力作用
D.脫水桶的脫水原理是水滴受到的離心力大于它受到的向心力,從而沿切線方向甩出

經典例題
答案:A
解析:A.汽車通過凹形橋的最低點時,汽車的加速度方向向上,汽車處于超重狀態,A正確;
B.鐵路的轉彎處,通常要求外軌比內軌高,目的是在合適的速度下,減小車輪與軌道側面之間的壓力,B錯誤;
C.雜技演員表演“水流星”,當它通過最高點時處于完全失重狀態,擠壓力為零,但仍受重力作用,C錯誤;
D.脫水桶的脫水原理是水滴受到的力小于所需的向心力,水滴做離心運動,脫離衣服,達到脫水的目的,D錯誤;
例2 如圖甲所示,游樂場有一種叫作“快樂飛機”的游樂項目,模型如圖乙所示。已知模型飛機質量為m,固定在長為L的旋臂上,旋臂與豎直方向夾角為45°,當模型飛機以角速度 繞中央軸在水平面內做勻速圓周運動時,下列說法正確的是( )(不計空氣阻力,重力加速度為g)
A.模型飛機受到重力、旋臂的作用力和向心力
B.旋臂對模型飛機的作用力方向不垂直于旋臂
C.旋臂對模型飛機作用力大小為
D.若轉動的角速度增大,則旋臂對模型飛機的作用力減小
C
答案:C
解析:A.向心力是效果力,實際上不存在,可知模型飛機不受向心力作用,受到重力和旋臂對模型飛機的兩個作用力,故A錯誤;
BC.模型飛機在水平面內做勻速圓周運動,豎直方向受力平衡,所以旋臂對模型飛機作用力的一個分力F1平衡了飛機的重力,即有F1=mg,另一個分力提供了飛機做勻速圓周運動的向心力,則有F2,
可知旋臂對模型飛機的作用力方向一定與旋臂垂直且大小等于 ,故B錯誤,C正確;
D.根據上述分析知,若轉動的角速度增大,F2增加,F1不變,旋臂對模型飛機的作用力 可知若轉動的角速度增大,則旋臂對模型飛機的作用力增大,故D錯誤。
火車轉彎
汽車過橋
失重現象
離心運動
當 v< gR tanθ :
當 v> gR tanθ :輪緣受到外軌向內的彈力
輪緣受到內軌向外的彈力
FN FN>mg:超重
做離心運動的條件:
1.如圖甲所示,滾筒洗衣機脫水時,滾筒內的衣物隨滾筒在豎直面內做勻速圓周運動,可簡化為如圖乙所示模型,A、C兩點分別為衣物運動的最高點和最低點,B、D兩點與圓筒圓心等高,則對脫水過程.下列說法正確的是( )
A.從A到C衣物處于失重狀態
B.在B、D兩點衣物的加速度相同
C.脫水效果最好的位置在C點
D.已脫水的衣物在A點受到的合力最小
C
答案:C
解析:從A到C衣物豎直方向的分加速度先向下后向上,因此先失重后超重,選項A錯誤;在B、D兩點衣物的加速度大小相等,方向相反,選項B錯誤;在C位置,衣物對圓筒的壓力最大,脫水效果最好,選項C正確;已脫水的衣物在各點受到的合力大小相等,選項D錯誤。
2.設計師設計了一個非常有創意的募捐箱,如圖甲所示,把硬幣從投幣口放入,接著在募捐箱上類似于漏斗形的部位(如圖乙所示,O點為漏斗形口的圓心)滑動很多圈之后從中間的小孔掉入募捐箱。如果硬幣在不同位置的運動都可以看成勻速圓周運動,摩擦阻力忽略不計,則某一枚硬幣在a、b兩處時( )
A.向心加速度大小
B.角速度大小
C.線速度大小
D.向心力大小
B
答案:B
解析:C.硬幣從a到b的過程中,只有重力對硬幣做正功,其他外力對硬幣不做功,根據動能定理可知線速度大小 ,故C錯誤;
B.由于 且 ,則根據 ,可知
故B正確;
AD.設募捐箱內壁曲面的切線與水平方向的夾角為θ,則根據牛頓第二定律和力的合成與分解可得
因為 ,所以 ,
故AD錯誤。
3.如圖所示為某賽車比賽中的精彩瞬間。賽車正在傾斜軌道上轉彎,假設賽車運動的軌道平面始終在水平面內,賽車的速度為v,傾斜軌道與水平方向夾角為θ,賽車轉彎的半徑為R,
重力加速度為g,則下列說法正確的是( )
A. 時,賽車有沿傾斜軌道向上運動的趨勢
B. 時,賽車剛好沒有沿傾斜軌道向上或向下運動的趨勢
C. 時,賽車沿傾斜軌道向下會受到摩擦力作用
D. 時,賽車沿傾斜軌道向下會受到摩擦力作用
C
答案:C
解析:AB.賽車只受重力和支持力的情況下 解得 故AB項錯誤;CD. 時,賽車需要更大的向心力,需要摩擦力沿傾斜軌道向下; ,故賽車需要較小的向心力,需要摩擦力沿傾斜軌道向上,故C項正確,D項錯誤。故選C。
4.(多選)某游樂場的一項游樂設施如圖甲所示,它可以簡化為如圖乙所示的模型,已知圓盤的半徑R=2.5m,懸繩長 ,圓盤啟動后始終以恒定的角速度轉動,若測得懸繩與豎直方向的夾角 ,重力加速度 。下列說法正確的是( )
A.圓盤轉動的角速度為
B.假設人和座椅的總質量為m,懸繩上的拉力為
C.若人和座椅的總質量不變,圓盤轉速增加,則懸繩與豎直方向的夾角不變
D.若人和座椅的總質量增大,圓盤轉速不變,則懸繩與豎直方向的夾角不變
ABD
答案:ABD
解析:A.如圖所示
人和座椅做勻速圓周運動的向心力由重力和懸繩
拉力的合力提供,圓周運動的半徑為2R,
則有 可得 ,故A正確;
B.懸繩的拉力 ,故B正確;
CD.由于
故只要轉速不變,懸繩與豎直方向的夾角就保持不變,故C錯誤,D正確。故選ABD。
5.(多選)圖甲所示的“太極球”是較流行的健身器材。現將太極球拍和球簡化成如圖乙所示的平板和球,熟練的健身者讓球在豎直
面內始終不脫離板而做勻速圓周運動,且在運動到
圖中的四個位置時球與板間無相對運動趨勢。A為
圓周的最高點,C為最低點,B、D與圓心O等高。
設球的質量為m,不計球拍的質量和球與球拍間的
摩擦。下列說法正確的是( )
A.球運動到最高點A時的最小速度為零
B.球在C處對板的作用力比在A處對板的作用力大2mg
C.增大球的運動速度,當球運動到B點時板與水平面的夾角θ變大
D.球運動到B點,θ=45°時,板對球的作用力大小F=2mg
BC
答案:BC
解析:A.當球恰好能做圓周運動時,在最高點A處有 可得球的最小速度 故A錯誤;B.設球做勻速圓周運動的速度為v,根據牛頓第二定律可知在A處時有 在C處時有 得 故B正確;C.當球運動到B點時,受力分析如圖所示
有 增大球的運動速度,板與水平面
的夾角θ應變大,故C正確;D.球運動到B點,
時,板對球的作用力大小為
故D錯誤。故選BC。

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