高中物理第二章圓周運(yùn)動(dòng)第三節(jié)離心現(xiàn)象及其應(yīng)用講義粵教版必修

第三節(jié)離心現(xiàn)象及其應(yīng)用第二章

圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)目標(biāo)核心素養(yǎng)1.知道離心現(xiàn)象及物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件.2.學(xué)會(huì)判斷近心、離心運(yùn)動(dòng).3.了解離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用與防止.1.通過實(shí)例認(rèn)識(shí)離心現(xiàn)象，初步了解離心現(xiàn)象在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，以及如何有效防止離心現(xiàn)象的發(fā)生.2.感受物理知識(shí)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用.內(nèi)容索引達(dá)標(biāo)檢測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)過關(guān)自主預(yù)習(xí)預(yù)習(xí)新知夯實(shí)基礎(chǔ)重點(diǎn)探究啟迪思維探究重點(diǎn)自主預(yù)習(xí)1.離心現(xiàn)象：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在所受合力突然

或

提供圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力的情況下，就會(huì)做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為離心現(xiàn)象.2.離心運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)：由于物體具有

，物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，總有沿____方向飛出的趨勢(shì).一、離心現(xiàn)象消失不足以慣性切線1.離心機(jī)械：利用

工作的機(jī)械.2.離心現(xiàn)象的應(yīng)用：

、洗衣機(jī)的

、離心分離器.3.離心現(xiàn)象的防止：轉(zhuǎn)彎限速、砂輪加防護(hù)罩等.二、離心現(xiàn)象的應(yīng)用和防止離心現(xiàn)象離心干燥器脫水筒即學(xué)即用判斷下列說法的正誤.(1)做離心運(yùn)動(dòng)的物體一定受到離心力的作用.(

)(2)離心運(yùn)動(dòng)是沿半徑向外的運(yùn)動(dòng).(

)(3)離心運(yùn)動(dòng)是物體具有慣性的表現(xiàn).(

)(4)離心運(yùn)動(dòng)的軌跡一定是曲線.(

)(5)脫水筒轉(zhuǎn)速加快，附著力小于所需的向心力時(shí)，水滴做離心運(yùn)動(dòng).(

)××√×√答案重點(diǎn)探究一、離心現(xiàn)象的理解繩拉球在光滑的水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，角速度大小為ω，質(zhì)量為m.此時(shí)球所受合外力F合＝mω2r，試分析在以下狀態(tài)下，球的運(yùn)動(dòng)情況.(1)當(dāng)繩子突然斷裂時(shí).導(dǎo)學(xué)探究(2)當(dāng)繩子提供的向心力小于mω2r時(shí).答案繩子提供的向心力小于mω2r時(shí)，球?qū)⒅饾u遠(yuǎn)離圓心，做離心運(yùn)動(dòng).答案答案繩子突然斷裂，繩子的拉力為零，球沿切線方向飛出.1.對(duì)離心運(yùn)動(dòng)的理解(1)離心運(yùn)動(dòng)并非沿半徑飛出的運(yùn)動(dòng)，而是運(yùn)動(dòng)半徑越來越大的運(yùn)動(dòng)或沿切線方向飛出的運(yùn)動(dòng).(2)離心運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是物體具有慣性的表現(xiàn)，并不是受到了“離心力”的作用.(3)物體做離心運(yùn)動(dòng)的原因：提供向心力的合外力突然消失，或者合外力不能提供足夠的向心力.注意：物體做離心運(yùn)動(dòng)并不是物體受到離心力作用，而是由于合外力不能提供足夠的向心力.所謂“離心力”實(shí)際上并不存在.知識(shí)深化2.合外力與向心力的關(guān)系(如圖1所示).圖1(4)若F合＝0，則物體做勻速直線運(yùn)動(dòng).例1如圖2所示是摩托車比賽轉(zhuǎn)彎時(shí)的情形，轉(zhuǎn)彎處路面常是外高內(nèi)低，摩托車轉(zhuǎn)彎有一個(gè)最大安全速度，若超過此速度，摩托車將發(fā)生滑動(dòng).關(guān)于摩托車滑動(dòng)的問題，下列論述正確的是A.摩托車一直受到沿半徑方向向外的離心力作用B.摩托車所受外力的合力小于所需的向心力C.摩托車將沿其線速度的方向沿直線滑去D.摩托車將沿其半徑方向沿直線滑去答案解析√圖2解析摩托車受重力、地面支持力和地面的摩擦力作用，沒有離心力，A項(xiàng)錯(cuò)誤；摩托車正常轉(zhuǎn)彎時(shí)可看做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所受的合力等于向心力，如果向外滑動(dòng)，說明合力小于需要的向心力，B項(xiàng)正確；摩托車將在線速度方向與沿半徑向外的方向之間做離心曲線運(yùn)動(dòng)，C、D項(xiàng)錯(cuò)誤.合力與向心力的關(guān)系對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的影響若F合＝mω2r，物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng).若F合<mω2r，物體做離心運(yùn)動(dòng).若F合＝0時(shí)，物體沿切線飛出.若F合>mω2r，物體做近心運(yùn)動(dòng).總結(jié)提升針對(duì)訓(xùn)練用繩子拴一個(gè)小球在光滑的水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)繩子突然斷了以后，小球的運(yùn)動(dòng)情況是

A.沿半徑方向接近圓心B.沿半徑方向遠(yuǎn)離圓心C.沿切線方向做直線運(yùn)動(dòng)D.仍維持圓周運(yùn)動(dòng)答案√解析當(dāng)繩子斷了以后，小球在光滑水平面上受力平衡，由于慣性，小球沿切線方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤，選項(xiàng)C正確.解析1.請(qǐng)簡(jiǎn)述洗衣機(jī)脫水的原理.二、離心現(xiàn)象的應(yīng)用和防止導(dǎo)學(xué)探究答案答案洗衣機(jī)脫水時(shí)，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，水滴需要較大的向心力才能與衣服一起做圓周運(yùn)動(dòng).當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，衣服已無法向水滴提供足夠大的附著力(作為向心力)，水滴便做離心運(yùn)動(dòng)，離開衣服，于是衣服被脫水.2.如圖3所示，汽車在平直公路上行駛，轉(zhuǎn)彎時(shí)由于速度過大，會(huì)偏離軌道，造成交通事故，這是什么原因呢？答案答案汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的向心力是由車輪與路面間的靜摩擦力提供的，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)如果速度過大，所需要的向心力就會(huì)很大，如果超過了車輪與路面間的最大靜摩擦力，汽車將做離心運(yùn)動(dòng)脫離軌道，造成交通事故.圖31.幾種常見離心運(yùn)動(dòng)的對(duì)比圖示知識(shí)深化項(xiàng)目實(shí)物圖原理圖現(xiàn)象及結(jié)論洗衣機(jī)脫水筒當(dāng)水滴受到的物體附著力F不足以提供向心力時(shí)，即F<mω2r，水滴做離心運(yùn)動(dòng)汽車在水平路面上轉(zhuǎn)彎當(dāng)最大靜摩擦力不足以提供向心力時(shí)，即fmax<m，汽車做離心運(yùn)動(dòng)用離心機(jī)把體溫計(jì)的水銀甩回玻璃泡中當(dāng)離心機(jī)快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，縮口處對(duì)水銀柱的阻力不足以提供向心力，水銀柱做離心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入玻璃泡內(nèi)2.離心現(xiàn)象的防止(1)汽車在公路轉(zhuǎn)彎處限速：在水平公路上行駛的汽車，轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的向心力是由車輪與路面間的靜摩擦力提供的.如果轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過大，所需向心力F大于最大靜摩擦力fmax，汽車將做離心運(yùn)動(dòng)而造成車體側(cè)滑，因此在公路轉(zhuǎn)彎處汽車必須限速.(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪、飛輪限速：高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪、飛輪等，都不得超過允許的最大轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速過高，砂輪、飛輪內(nèi)部分子間的作用力不足以提供所需的向心力時(shí)，離心運(yùn)動(dòng)會(huì)使它們破裂，甚至釀成事故.例2下列有關(guān)洗衣機(jī)脫水筒的脫水原理說法正確的是

A.水滴受離心力作用，而沿背離圓心的方向甩出B.水滴受到向心力，由于慣性沿切線方向甩出C.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D.水滴與衣服間的附著力小于它所需的向心力，于是沿切線方向甩出解析物體做離心運(yùn)動(dòng)是因?yàn)閷?shí)際所受合力小于向心力，物體沿切線方向飛出，故D正確.答案解析√1.臨界狀態(tài)：當(dāng)物體從某種特性變化為另一種特性時(shí)發(fā)生質(zhì)的飛躍的轉(zhuǎn)折狀態(tài)，通常叫做臨界狀態(tài)，出現(xiàn)臨界狀態(tài)時(shí)，既可理解為“恰好出現(xiàn)”，也可理解為“恰好不出現(xiàn)”.2.對(duì)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題，要特別注意分析物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力來源，考慮達(dá)到臨界條件時(shí)物體所處的狀態(tài)，即臨界速度、臨界角速度，然后分析該狀態(tài)下物體的受力特點(diǎn)，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，列方程求解.通常碰到的是涉及如下三種力的作用：(1)與繩的彈力有關(guān)的臨界問題此類問題要分析繩恰好無彈力這一臨界狀態(tài)下的角速度(或線速度).三、圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問題(2)與支持面彈力有關(guān)的臨界問題此類問題要分析恰好無支持力這一臨界狀態(tài)下的角速度(或線速度).(3)因靜摩擦力而產(chǎn)生的臨界問題此類問題要分析靜摩擦力達(dá)到最大時(shí)這一臨界狀態(tài)下的角速度(或線速度).例3某游樂場(chǎng)里的賽車場(chǎng)地為圓形，半徑為100m，一賽車與車手的總質(zhì)量為100kg，輪胎與地面間的最大靜摩擦力為600N.(g取10m/s2)(1)若賽車的速度達(dá)到72km/h，這輛車在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)不會(huì)發(fā)生側(cè)滑？答案答案不會(huì)發(fā)生側(cè)滑解析賽車在場(chǎng)地上做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由靜摩擦力提供.賽車做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力為F＝m＝400N<600N，所以賽車在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生側(cè)滑.解析(2)若將場(chǎng)地建成外高內(nèi)低的圓形，且傾角為30°，賽車的速度為多大時(shí)，車手感覺不到自己有相對(duì)車的側(cè)向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)？答案答案24m/s解析例4如圖4所示，水平轉(zhuǎn)盤的中心有一個(gè)光滑的豎直小圓孔，質(zhì)量為m的物體A放在轉(zhuǎn)盤上，物體A到圓孔的距離為r，物體A通過輕繩與物體B相連，物體B的質(zhì)量也為m.若物體A與轉(zhuǎn)盤間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，則轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω在什么范圍內(nèi)，才能使物體A隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)而不滑動(dòng)？(已知最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，重力加速度為g)答案解析圖4解析當(dāng)A將要沿轉(zhuǎn)盤背離圓心滑動(dòng)時(shí)，A所受的摩擦力為最大靜摩擦力，方向指向圓心，此時(shí)A做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力為繩的拉力與最大靜摩擦力的合力，即F＋fmax＝mrω12 ①由于B靜止，故有F＝mg ②又fmax＝μFN＝μmg

③當(dāng)A將要沿轉(zhuǎn)盤向圓心滑動(dòng)時(shí)，A所受的摩擦力為最大靜摩擦力，方向背離圓心，此時(shí)A做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力為F－fmax＝mrω22

④故要使A隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)而不滑動(dòng)，其角速度ω的范圍為ω2≤ω≤ω1，達(dá)標(biāo)檢測(cè)1231.(離心運(yùn)動(dòng))在水平公路上行駛的汽車，當(dāng)汽車以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輪與路面的靜摩擦力恰好等于汽車轉(zhuǎn)彎所需要的向心力，汽車沿如圖5所示的圓形路徑(虛線)運(yùn)動(dòng).如果汽車轉(zhuǎn)彎速度大于v，則汽車最有可能沿哪條路徑運(yùn)動(dòng)？

A.Ⅰ

B.Ⅱ

C.Ⅲ

D.Ⅳ45答案√圖5123452.(離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用及分析)(多選)洗衣機(jī)脫水的原理是利用了離心運(yùn)動(dòng)把附著在衣服上的水分甩干.如圖6是某同學(xué)用塑料瓶和電機(jī)等自制的脫水實(shí)驗(yàn)原理圖，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)瓶?jī)?nèi)濕毛巾甩干效果不理想，為了能甩得更干，請(qǐng)為該同學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

A.增加轉(zhuǎn)速

B.減小轉(zhuǎn)速C.增大塑料瓶半徑

D.減小塑料瓶半徑答案解析√圖6√12345解析塑料瓶?jī)?nèi)濕毛巾需要的向心力F＝m＝mω2r＝4mπ2n2r，故要增強(qiáng)甩干效果，就要提高運(yùn)動(dòng)速度，即要提高需要的向心力，由以上表達(dá)式可知，可以提高轉(zhuǎn)速或半徑，故A、C正確，B、D錯(cuò)誤.3.(離心運(yùn)動(dòng)的分析)(多選)如圖7所示，水平轉(zhuǎn)臺(tái)上放著A、B、C三個(gè)物體，質(zhì)量分別為2m、m、m，離轉(zhuǎn)軸的距離分別為R、R、2R，與轉(zhuǎn)臺(tái)間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同.當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，下列說法中正確的是

A.若三個(gè)物體均未滑動(dòng)，則C物體的向心加速度最大B.若三個(gè)物體均未滑動(dòng)，則B物體受的摩擦力最大C.若轉(zhuǎn)速增加，則A物體比B物體先滑動(dòng)D.若轉(zhuǎn)速增加，則C物體最先滑動(dòng)1234圖75答案√√解析解析三物體都未滑動(dòng)時(shí)，角速度相同，設(shè)角速度為ω，根據(jù)向心加速度公式a＝ω2r，知C的向心加速度最大，選項(xiàng)A正確；三個(gè)物體受到的靜摩擦力分別為：fA＝(2m)ω2R，fB＝mω2R，fC＝mω2(2R)，所以物體B受到的摩擦力最小，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；增加轉(zhuǎn)速，可知C最先達(dá)到最大靜摩擦力，所以C最先滑動(dòng)，A、B的臨界角速度相等，可知A、B一起滑動(dòng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確.123454.(汽車在水平路面上的轉(zhuǎn)彎)高速公路轉(zhuǎn)彎處彎道圓半徑R＝100m，汽車輪胎與路面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.225.若路面是水平的(假設(shè)最大靜摩擦力可近似看做與滑動(dòng)摩擦力相等，g取10m/s2).問：(1)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)不發(fā)生徑向滑動(dòng)(離心現(xiàn)象)所允許的最大速度vm為多大？解析12345答案答案15m/s(2)當(dāng)速度超過vm時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？解析12