新教材同步備課2024春高中物理第6章圓周運(yùn)動(dòng)4.生活中的圓周運(yùn)動(dòng)課件新人教版必修第二冊(cè)

第六章圓周運(yùn)動(dòng)4．生活中的圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)1．能定性分析鐵路彎道處外軌比內(nèi)軌高的原因。2．能定量分析汽車過拱形橋最高點(diǎn)和凹形橋最低點(diǎn)時(shí)對(duì)橋的壓力。3．了解航天器中的失重現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因。4．知道離心運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的條件，了解離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用和防止。關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成01知識(shí)點(diǎn)一火車轉(zhuǎn)彎知識(shí)點(diǎn)二汽車過橋航天器中的失重現(xiàn)象知識(shí)點(diǎn)三離心運(yùn)動(dòng)1．火車在彎道上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)火車在彎道上運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)際上在做________，因而具有____加速度，由于其質(zhì)量巨大，需要很大的向心力。知識(shí)點(diǎn)一火車轉(zhuǎn)彎圓周運(yùn)動(dòng)向心(2)若鐵路彎道外軌略高于內(nèi)軌，根據(jù)轉(zhuǎn)彎處軌道的半徑和規(guī)定的行駛速度，適當(dāng)調(diào)整內(nèi)外軌的高度差，使轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力幾乎完全由________和__________的合力提供，從而減輕外軌與輪緣的擠壓。2．火車轉(zhuǎn)彎時(shí)向心力的來源分析(1)若鐵路彎道內(nèi)外軌一樣高，火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，外側(cè)車輪的輪緣擠壓外軌，火車的向心力由外軌對(duì)車輪輪緣的____提供(如圖所示)，由于火車的質(zhì)量很大，轉(zhuǎn)彎所需的向心力很大，鐵軌和車輪極易受損。彈力重力mg支持力FN火車拐彎時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡為一段圓弧，火車在鐵軌上轉(zhuǎn)彎可以看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖所示，請(qǐng)思考下列問題：【問題】(1)火車轉(zhuǎn)彎處的鐵軌有什么特點(diǎn)？(2)火車按照規(guī)定速度轉(zhuǎn)彎時(shí)向心力來源？(3)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過大或過小，會(huì)對(duì)哪側(cè)軌道有側(cè)壓力？提示：(1)火車轉(zhuǎn)彎處，外軌高于內(nèi)軌。(2)重力G與支持力FN的合力F提供火車轉(zhuǎn)彎的向心力，如圖所示。

(3)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過大會(huì)對(duì)軌道外側(cè)有壓力，速度過小會(huì)對(duì)軌道內(nèi)側(cè)有壓力。1．圓周平面的特點(diǎn)：彎道處外軌高于內(nèi)軌，但火車在行駛過程中，重心高度不變，即火車的重心軌跡在同一水平面內(nèi)，火車的向心加速度和向心力均沿水平面指向圓心。

【典例1】有一列重為100t的火車，以72km/h的速率勻速通過一個(gè)內(nèi)外軌一樣高的彎道，軌道半徑為400m。(

g取10m/s2)(1)試計(jì)算鐵軌受到的側(cè)壓力大小；(2)若要使火車以此速率通過彎道，且使鐵軌受到的側(cè)壓力為零，我們可以適當(dāng)傾斜路基，試計(jì)算路基傾斜角度θ的正切值。[思路點(diǎn)撥]第(1)問中，外軌對(duì)輪緣的側(cè)壓力提供火車轉(zhuǎn)彎所需要的向心力。第(2)問中，重力和鐵軌對(duì)火車的支持力的合力提供火車轉(zhuǎn)彎的向心力。

[答案]

(1)1×105N

(2)0.1[母題變式]上例中，要提高火車的速度為108km/h，則火車要想安全通過彎道需要如何改進(jìn)鐵軌？

規(guī)律方法

火車轉(zhuǎn)彎問題的兩點(diǎn)注意(1)合力的方向：火車轉(zhuǎn)彎時(shí)，火車所受合力沿水平方向指向圓心，而不是沿軌道斜面向下。(2)受力分析：火車轉(zhuǎn)彎速率大于或小于規(guī)定速率時(shí)，火車受到三個(gè)力的作用，即重力、軌道的支持力和外軌或內(nèi)軌對(duì)火車的側(cè)向擠壓力，側(cè)向擠壓力的方向沿軌道平面向里或向外，合力沿水平面指向圓心。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(2022·廣東興寧一中期中)在修筑鐵路時(shí)，彎道處的外軌會(huì)略高于內(nèi)軌，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)受到輪緣的側(cè)向擠壓。為了提高轉(zhuǎn)彎的規(guī)定速度，僅改變一個(gè)量，下列可行的措施是(

)A．減小火車質(zhì)量

B．增大鐵軌與車輪間的摩擦C．減小轉(zhuǎn)彎半徑

D．增大軌道傾角√

1．汽車過橋知識(shí)點(diǎn)二汽車過橋航天器中的失重現(xiàn)象項(xiàng)目汽車過拱形橋汽車過凹形橋受力分析

向心力mg－FNFN－mg項(xiàng)目汽車過拱形橋汽車過凹形橋?qū)虻膲毫N′＝__________FN′＝__________結(jié)論汽車對(duì)橋的壓力小于汽車的重力，而且汽車速度越大，對(duì)橋的壓力____汽車對(duì)橋的壓力大于汽車的重力，而且汽車速度越大，對(duì)橋的壓力____

越小越大

地球引力飛船座艙對(duì)他的支持力mg－FN完全失重用兩根鐵絲彎成如圖所示的凹凸橋。把一個(gè)小球放在凹橋底部A，調(diào)節(jié)兩軌間的距離，使小球剛好不掉下去，但稍加一點(diǎn)壓力，小球就會(huì)撐開兩軌下落?！締栴}】(1)讓小球從斜軌滾下，當(dāng)小球經(jīng)過凹橋底部時(shí)，你看到了什么？(2)把凹橋下的搭鉤扣上，并讓小球在拱橋頂端B靜止放置時(shí)，剛好能撐開兩軌下落。然后，讓小球再從斜軌滾下，當(dāng)球經(jīng)過凸橋頂端時(shí)，你又看到了什么？(3)上述兩種現(xiàn)象說明什么？提示：(1)小球經(jīng)過凹橋底部時(shí)，從兩軌間掉了下來，對(duì)軌道的壓力大于小球的重力。(2)小球經(jīng)過拱橋頂端時(shí)，沒有掉下來，對(duì)軌道的壓力小于小球的重力。(3)小球在凹橋底部加速度方向向上，處于超重狀態(tài)；小球在凸橋頂端加速度方向向下，處于失重狀態(tài)。1．汽車過拱形橋汽車在拱形橋上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)，汽車的重力與橋?qū)ζ囍С至Φ暮狭μ峁┫蛐牧?。如圖甲所示。

【典例2】

(2022·長治市第二中學(xué)高一期中)有一輛質(zhì)量為600kg的小汽車駛上圓弧半徑為50m的拱橋。(

g＝10m/s2)(1)汽車到達(dá)橋頂時(shí)速度為6m/s，汽車對(duì)橋的壓力是多大？(2)汽車以多大速度經(jīng)過橋頂時(shí)恰好對(duì)橋沒有壓力而騰空？(3)如果拱橋的半徑增大到與地球半徑R(R＝6400km)一樣，汽車要在橋面上騰空，速度要多大？[思路點(diǎn)撥]解答本題應(yīng)明確以下兩點(diǎn)：(1)汽車過凸形橋最高點(diǎn)時(shí)的受力特點(diǎn)。(2)根據(jù)牛頓第二定律列方程求解。

規(guī)律方法

汽車過橋問題的解題步驟(1)選取研究對(duì)象，確定軌道平面、圓心位置和軌道半徑。(2)正確分析研究對(duì)象的受力情況，明確向心力是按作用效果命名的力，在受力分析時(shí)不能列出，明確向心力的來源。(3)根據(jù)平衡條件和牛頓運(yùn)動(dòng)定律列方程求解。[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)2023年10月31日8時(shí)11分，神舟十六號(hào)載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)成功著陸。航天員在太空中隨飛船一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，處于失重狀態(tài)，下列說法正確的是(

)A．航天員仍受重力的作用B．航天員受力不平衡C．航天員所受重力等于所需的向心力D．航天員不受重力的作用√√√ABC

[失重是指物體對(duì)支持物的壓力(或?qū)覓煳锏睦?小于物體所受重力的現(xiàn)象，太空中的航天員仍受重力的作用，且所受重力等于其做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，故A、C正確，D錯(cuò)誤；航天員隨飛船做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，處于非平衡狀態(tài)，故B正確。]

√知識(shí)點(diǎn)三離心運(yùn)動(dòng)1．定義：物體沿____方向飛出或做逐漸____圓心的運(yùn)動(dòng)。2．原因：向心力突然消失或合力不足以提供所需的______。3．離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用和防止(1)應(yīng)用：洗衣機(jī)的脫水筒，____________，醫(yī)用離心分離機(jī)。(2)防止：汽車在公路轉(zhuǎn)彎處必須限速行駛，轉(zhuǎn)動(dòng)的____、飛輪的轉(zhuǎn)速不能太高。切線遠(yuǎn)離向心力離心制管技術(shù)砂輪鏈球比賽中，高速旋轉(zhuǎn)的鏈球被放手后會(huì)飛出。汽車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)，若摩擦力不足，汽車會(huì)滑出路面?！締栴}】(1)鏈球飛出、汽車滑出路面的原因是因?yàn)槭艿搅穗x心力嗎？(2)物體做離心運(yùn)動(dòng)的條件是什么？(3)汽車水平轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度大小受哪些因素的影響？

1．離心運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)離心現(xiàn)象的本質(zhì)是物體慣性的表現(xiàn)。做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，由于慣性，總是有沿著圓周切線方向飛出去的傾向，之所以沒有飛出去，是因?yàn)槭艿较蛐牧Φ淖饔谩哪撤N意義上說，向心力的作用是不斷地把物體從圓周運(yùn)動(dòng)的切向方向拉回到圓周上來。

【典例3】一質(zhì)量為2.0×103kg的汽車在水平公路上行駛，路面對(duì)輪胎的徑向最大靜摩擦力為1.4×104N，當(dāng)汽車經(jīng)過半徑為80m的彎道時(shí)，下列判斷正確的是(

)A．汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)所受的力有重力、彈力、摩擦力和向心力B．汽車轉(zhuǎn)彎的速度為20m/s時(shí)所需的向心力為1.4×104NC．汽車轉(zhuǎn)彎的速度為20m/s時(shí)汽車會(huì)發(fā)生側(cè)滑D．汽車能安全轉(zhuǎn)彎的向心加速度不超過7.0m/s2√

[跟進(jìn)訓(xùn)練]4．(多選)在地面上，將水和油混合后，靜置一段時(shí)間后水和油會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，但在太空失重環(huán)境中，水和油始終呈現(xiàn)混合狀態(tài)。2022年3月23日的太空授課中，葉光富老師通過“甩”的方式讓封閉試管內(nèi)的水油混合物繞手做圓周運(yùn)動(dòng)，也實(shí)現(xiàn)了油水分離。封閉試管做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)給油水混合物提供了一種“模擬重力”的環(huán)境，“模擬重力”的方向沿試管遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸的方向，其大小與液體的質(zhì)量及其到轉(zhuǎn)軸距離成正比。當(dāng)封閉試管由靜止開始繞手旋轉(zhuǎn)并不斷增大轉(zhuǎn)速的過程中，下列說法正確的是(

)A．水相對(duì)試管向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，油相對(duì)試管向外側(cè)運(yùn)動(dòng)B．水相對(duì)試管向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，油相對(duì)試管向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)C．轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)“模擬重力”產(chǎn)生的“模擬重力加速度”沿半徑方向向外逐漸變大D．轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)“模擬重力”產(chǎn)生的“模擬重力加速度”沿半徑方向各處大小相同√√BC

[水的密度大于油的密度，則根據(jù)離心原理，水比油在相同的角速度和半徑下需要的向心力更大，因此產(chǎn)生離心現(xiàn)象，水相對(duì)試管向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，油相對(duì)試管向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，故B正確，A錯(cuò)誤；內(nèi)外層液體的角速度相同，根據(jù)a＝ω2r可知，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)“模擬重力”產(chǎn)生的“模擬重力加速度”沿半徑方向向外逐漸變大，故C正確，D錯(cuò)誤。]學(xué)習(xí)效果·隨堂評(píng)估自測(cè)021．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(huì)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(duì)筒壁的壓力減小D．加快脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，脫水效果會(huì)更好1234√D

[衣服受到豎直向下的重力、豎直向上的靜摩擦力、指向圓心的支持力，重力和靜摩擦力是一對(duì)平衡力，大小相等，故向心力是由支持力提供的，A錯(cuò)誤；脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度增大以后，支持力增大，故衣服對(duì)筒壁的壓力也增大，C錯(cuò)誤；水會(huì)被甩出是因?yàn)橐路?duì)水滴的附著力不足以提供其做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，B錯(cuò)誤；隨著脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的增加，需要的向心力增加，當(dāng)附著力不足以提供需要的向心力時(shí)，衣服上的水滴將做離心運(yùn)動(dòng)，故脫水筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越大，脫水效果會(huì)越好，D正確。]12342．(2022·北京順義二中期中)在高速公路的拐彎處，通常路面外高內(nèi)低。如圖甲所示，在某路段汽車向右拐彎，司機(jī)左側(cè)的路面比右側(cè)的路面高一些，汽車的運(yùn)動(dòng)可看作是半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。如圖乙所示，設(shè)內(nèi)外路面高度差為h，路基的水平寬度為d，路面的寬度為L，路面與水平面夾角為θ。已知重力加速度為g。要使車輪與路面之間的側(cè)向摩擦力(即垂直于前進(jìn)方向)等于零，則汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的車速應(yīng)等于(

)1234

√

1234

1234√

1234√

1234回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問題：1．對(duì)火車轉(zhuǎn)彎要做哪些安全限制？提示：速度、載重。2．汽車過拱形橋的向心力來源是什么？提示：重力和支持力的合力。3．航天員在太空中處于什么狀態(tài)？提示：完全失重狀態(tài)。4．發(fā)生離心現(xiàn)象的原因是什么？提示：向心力突然消失或物體所受合外力不足以提供所需的向心力。閱讀材料·拓展物理視野03航天員的太空生活由于人在太空中處于完全失重狀態(tài)，生活環(huán)境與地球表面的生活環(huán)境迥然不同，因此，在太空中的衣、食、住、行也與地面不同，會(huì)帶來許多驚險(xiǎn)和奇趣。一、住——密封座艙密封座艙是載人航天器上最基本的也是最根本的生命設(shè)施。太空中的強(qiáng)輻射就像原子彈爆炸時(shí)所產(chǎn)生的輻射一樣，會(huì)破壞人體的細(xì)胞組織；高速飛行的微流星體撞擊，能置人于死地；人體暴露在高度真空中，不僅僅是缺氧窒息的問題，還可能導(dǎo)致體液沸騰而迅速死亡。密封座艙的艙壁，可以防止輻射和微流星體對(duì)人的傷害，座艙中的空氣可以使人不受真空的傷害。二、吃——太空食品在航天器的密封座艙中進(jìn)食既有樂趣，又有危險(xiǎn)。可把食物和飲料懸在空中，用嘴一口一口咬或吸食，而雙手仍然可以做其他事情。但食物碎渣會(huì)到處飄飛，易迷眼鉆鼻，還會(huì)損壞儀器設(shè)備。因此，在早期的航天活動(dòng)中，會(huì)將食物做成糊狀，裝在軟管中，食用時(shí)，像擠牙膏一樣往嘴里擠?，F(xiàn)在的太空食品和進(jìn)食方法已與地面上差不多了。食物稍帶黏性就可以黏在盤子中不飛走，而盤子可以固定在餐桌上。三、睡——睡袋在航天器的密封座艙中睡覺特別方便，不管什么姿勢(shì)，不管什么地方，都可以睡。但是，為了安全，應(yīng)該鉆進(jìn)睡袋中，并將睡袋固定住，不然，睡袋到處飄飛，最后每個(gè)人都會(huì)擠到通風(fēng)口，而當(dāng)航天器加速或減速時(shí)，可能會(huì)被艙壁和儀器設(shè)備碰傷。除此之外還要帶上眼罩和耳罩，以免快速交替的日夜節(jié)奏和儀器設(shè)備發(fā)出的聲音影響睡眠。睡覺時(shí)手臂要放進(jìn)睡袋中，以免被卷進(jìn)機(jī)器