物理魯科版（2019）必修第二冊 3.3離心現象課件

第3節(jié)離心現象學習目標思維導圖1.學會通過車輛轉彎問題及凹、凸橋和過山車問題分析水平面內和豎直面內的圓周運動。2.知道什么是離心運動,學會通過實例分析離心運動。3.學會運用圓周運動知識分析生活中的實際問題。必備知識自我檢測一、車輛轉彎時所需的向心力1.汽車轉彎問題(1)汽車在水平路面上轉彎時,有向外側滑的趨勢,地面會對汽車產生指向內側的靜摩擦力。(2)根據公式f=m,彎道半徑一定,汽車速度超過一定限度時,汽車就會向外側滑。2.火車轉彎問題(1)轉彎處設計外高內低。(2)火車以規(guī)定速度行駛時,恰好由重力和支持力的合力提供向心力。3.飛機轉彎問題飛機轉彎時所需的向心力由重力和空氣對它的作用力的合力提供。必備知識自我檢測二、豎直平面內的圓周運動分析1.汽車過拱形橋(如圖甲)必備知識自我檢測2.汽車過凹形路面(如圖乙)必備知識自我檢測3.游樂場的過山車當小球沿圓環(huán)內側軌道經過最高點時,向心力F=mg+N,根據向心力必備知識自我檢測三、生活中的離心運動1.定義:做圓周運動的物體,在受到的向心力突然消失或者不足以提供做圓周運動所需的向心力的情況下,將遠離圓心運動。2.離心運動的應用和防止(1)應用:離心分離器;離心干燥器;洗衣機的脫水筒。(2)防止:飛機翻飛旋轉,造成過荷現象;汽車在公路轉彎處必須降低行車速度。必備知識自我檢測1.正誤辨析(1)火車彎道的半徑很大,故火車轉彎需要的向心力很小。(

)解析:由F=知,向心力由多個因素決定,半徑大,向心力不一定小。答案:×(2)火車在水平路面上轉彎時,外軌擠壓火車的外輪緣。(

)答案:√(3)車輛按規(guī)定車速通過“內低外高”的彎道時,向心力是由重力和支持力的合力提供的。(

)答案:√必備知識自我檢測(4)汽車過拱形橋或凹形路面時,向心加速度的方向都是向上的。(

)解析:汽車過拱形橋時,向心加速度的方向向下;過凹形路面時,向心加速度的方向向上。答案:×(5)做勻速圓周運動的物體,當提供向心力的合力突然消失或變小時將做離心運動。(

)答案:√必備知識自我檢測2.(多選)如圖所示,汽車以速度v通過一弧形的拱橋頂端時,關于汽車受力的說法中正確的是(

)A.汽車的向心力就是它所受的重力B.汽車的向心力是它所受的重力與支持力的合力,方向指向圓心C.汽車受重力、支持力、牽引力、摩擦力和向心力的作用D.汽車受到的支持力比重力小解析:汽車以速度v通過一弧形的拱橋頂端時,汽車受重力、支持力、牽引力和摩擦力,重力與支持力的合力提供向心力,方向指向圓心,A、C錯誤,B正確;汽車受到的支持力比重力小,D正確。答案:BD必備知識自我檢測3.賽車在外高內低的傾斜軌道上轉彎時,彎道的傾角為θ,半徑為r,則賽車完全不靠摩擦力轉彎的速率是(設轉彎半徑水平)(

)答案:C問題一問題二問題三隨堂檢測火車轉彎問題分析情境導引如圖為火車車輪的構造及火車轉彎時的情景,設火車轉彎時的運動是勻速圓周運動,觀察圖片并思考:(1)火車轉彎處的鐵軌有什么特點?(2)火車轉彎時哪些力提供向心力?(3)火車轉彎時速度過大或過小,會對哪側軌道有側壓力?問題一問題二問題三隨堂檢測要點提示:(1)火車轉彎處,外軌高于內軌。(2)重力、支持力、軌道的彈力。(3)火車轉彎時速度過大會對軌道外側有壓力,速度過小會對軌道內側有壓力。問題一問題二問題三隨堂檢測知識點撥1.軌跡分析火車在轉彎過程中,運動軌跡是一圓弧,由于火車轉彎過程中重心高度不變,故火車軌跡所在的平面是水平面,而不是斜面。火車的向心加速度和向心力均沿水平面指向圓心。2.向心力分析(1)若轉彎處內外軌一樣高,則由外軌對輪緣的彈力提供向心力。(2)若轉彎時外軌略高于內軌,根據彎道的半徑和規(guī)定的速度,適當選擇內、外軌的高度差,則按規(guī)定速度轉彎時所需的向心力完全由重力和支持力的合力提供。問題一問題二問題三隨堂檢測3.規(guī)定速度分析

4.軌道輪緣壓力與火車速度的關系(1)當火車行駛速度v等于規(guī)定速度v0時,內、外軌道對輪緣都沒有側壓力。(2)當火車行駛速度v大于規(guī)定速度v0時,火車有離心運動趨勢,故外軌道對輪緣有側壓力。(3)當火車行駛速度v小于規(guī)定速度v0時,內軌道對輪緣有側壓力。問題一問題二問題三隨堂檢測畫龍點睛

火車軌道外高內低的目的是讓支持力傾斜,讓支持力在指向圓心方向的分力提供向心力。同理,汽車和摩托車賽道拐彎處、高速公路轉彎處設計成外高內低,可以減小車輪和路面間的橫向摩擦力。問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導例1有一列質量為100t的火車,以72km/h的速率勻速通過一個內外軌一樣高的彎道,軌道半徑為400m。(g取10m/s2)(1)試計算鐵軌受到的側壓力。(2)若要使火車以此速率通過彎道,且使鐵軌受到的側壓力為零,我們可以適當傾斜路基,試計算路基傾斜角度θ的正切值。點撥第(1)問中,外軌對輪緣的側壓力提供火車轉彎所需要的向心力;第(2)問中,重力和鐵軌對火車的支持力的合力提供火車轉彎的向心力。問題一問題二問題三隨堂檢測答案:(1)1×105N

(2)0.1問題一問題二問題三隨堂檢測規(guī)律方法

火車轉彎問題的兩點注意(1)合力的方向:火車轉彎時,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)規(guī)定速率:火車軌道轉彎處的規(guī)定速率一旦確定則是唯一的,火車只有按規(guī)定的速率轉彎,內外軌才不受火車的擠壓作用。速率過大時,由重力、支持力及外軌對輪緣的擠壓力的合力提供向心力;速率過小時,由重力、支持力及內軌對輪緣的擠壓力的合力提供向心力。問題一問題二問題三隨堂檢測變式訓練1(多選)火車在鐵軌上轉彎可以看作是做勻速圓周運動,火車速度提高易使外軌受損。為解決火車高速轉彎時使外軌受損這一難題,你認為理論上可行的措施是(

)A.減小彎道半徑B.增大彎道半徑C.適當減小內外軌道的高度差D.適當增加內外軌道的高度差解析:當火車速度增大時,可適當增大轉彎半徑或適當增加內外軌道的高度差,以減小外軌所受壓力。答案:BD問題一問題二問題三隨堂檢測汽車過橋問題分析情境導引如圖所示,一輛汽車以恒定的速度在起伏不平的路面上行進,汽車在哪一點對路面的壓力最大?在哪一點對路面的壓力最小?在哪一點容易發(fā)生“飛車”現象?要點提示:在最低點B時對路面的壓力最大;在最高點C時對路面的壓力最小,易發(fā)生“飛車”現象。問題一問題二問題三隨堂檢測知識點撥汽車過拱形橋問題問題一問題二問題三隨堂檢測問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導例2如圖所示,質量m=2.0×104kg的汽車以不變的速率先后駛過凹形橋面和凸形橋面,兩橋面的圓弧半徑均為20m。如果橋面承受的壓力不得超過3.0×105N,則:(1)汽車允許的最大速率是多少?(2)若以所求速率行駛,汽車對橋面的最小壓力是多少?(g取10m/s2)點撥首先要確定汽車在何位置時對橋面的壓力最大,汽車經過凹形橋面時,向心加速度方向向上,汽車處于超重狀態(tài);經過凸形橋面時,向心加速度向下,汽車處于失重狀態(tài),所以汽車經過凹形橋面最低點時,汽車對橋面的壓力最大。問題一問題二問題三隨堂檢測答案:(1)10m/s

(2)1.0×105

N規(guī)律方法

(1)過凹形橋最低點時,汽車的加速度方向豎直向上,處于超重狀態(tài),為使對橋壓力不超出最大承受力,汽車有最大行駛速度限制。(2)汽車對橋的壓力與橋對汽車的支持力是作用力與反作用力。問題一問題二問題三隨堂檢測變式訓練2如圖所示,當汽車通過拱橋頂點的速度為10m/s時,車對橋頂的壓力為車重的,如果要使汽車在橋面行駛至橋頂時,對橋面的壓力為零,則汽車通過橋頂的速度應為(

)A.15m/s B.20m/s C.25m/s D.30m/s答案:B問題一問題二問題三隨堂檢測對離心運動的理解情境導引雨天,當你旋轉自己的雨傘時,會發(fā)現水滴沿著傘的邊緣切線飛出。汽車高速轉彎時,若摩擦力不足,汽車會滑出路面。請思考:(1)水滴飛出、汽車滑出是因為受到了離心力的作用嗎?(2)物體做離心運動的條件是什么?要點提示:(1)水滴飛出、汽車滑出的原因是物體慣性的表現,不是因為受到了離心力,離心力是不存在的。(2)物體做離心運動的條件是做圓周運動的物體,提供向心力的外力突然消失或者外力不能提供足夠大的向心力。問題一問題二問題三隨堂檢測知識點撥1.離心運動的實質物體慣性的表現。做圓周運動的物體,總有沿著圓周切線飛出去的趨向,之所以沒有飛出去,是因為受到向心力作用的緣故。一旦作為向心力的合外力突然消失或不足以提供向心力,物體就會發(fā)生離心運動。2.離心運動的受力特點物體做離心運動并不是物體受到離心力作用,而是由于外力不能提供足夠的向心力。問題一問題二問題三隨堂檢測3.離心運動的條件

道上,物體逐漸遠離圓心而做離心運動,即“需要”大于“提供”或“提供不足”。(4)若F合=0,則物體沿切線方向飛出,做勻速直線運動。問題一問題二問題三隨堂檢測畫龍點睛

分析離心現象要明確什么是“提供的向心力”,什么是“需要的向心力”,分析“供”與“需”的關系是確定物體怎樣運動的關鍵。問題一問題二問題三隨堂檢測4.離心運動的應用和防止(1)應用:離心運動可以給我們的生活、工作帶來方便。如離心干燥機、洗衣機脫水筒、離心制管技術等都是利用離心運動原理設計的。(2)防止:離心運動有時也會給人帶來危害。例如,汽車在轉彎處必須限速行駛,超速則做離心運動釀成事故;高速轉動的砂輪、飛輪等,都不得超過允許的最大轉速,以防止其內部分子間的相互作用力不足以提供所需向心力,離心運動使它們破裂。問題一問題二問題三隨堂檢測實例引導例3如圖所示為洗衣機脫水筒的示意圖,下列關于脫水筒工作原理說法正確的是(

)A.水滴受離心力作用,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.水滴與衣服間的附著力小于它所需的向心力,于是被甩出脫水筒D.水滴受到的離心力大于它受到的向心力,從而沿切線方向飛出解析:根據F=ma=mω2R可知脫水筒的轉速增大,脫水筒的角速度ω會增大,水滴所需向心力F增大,水滴與衣服間的附著力小于它所需的向心力時,水滴被甩出脫水筒,故選項C正確,A、B、D錯誤。答案:C問題一問題二問題三隨堂檢測易錯提醒關于離心運動的兩點提醒(1)離心運動并不是受到離心力的作用產生的運動。(2)離心運動并不是沿半徑方向向外遠離圓心的運動。問題一問題二問題三隨堂檢測變式訓練3如圖是摩托車比賽轉彎時的情形,轉彎處路面常是外高內低,摩托車轉彎有一個最大安全速度,若超過此速度,摩托車將發(fā)生滑動。對于摩托車滑動的問題,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解析:摩托車只受重力、地面支持力和地面的摩擦力作用,沒有離心力,選項A錯誤;摩托車正確轉彎時可看作是做勻速圓周運動,所受的合力等于向心力,如果向外滑動,說明提供的向心力即合力小于需要的向心力,選項B正確;摩托車將做逐漸遠離圓心的曲線運動,選項C、D錯誤。答案:B問題一問題二問題三隨堂檢測1.如圖所示,光滑的水平面上,小球m在拉力F作用下做勻速圓周運動,若小球到達P點時F突然發(fā)生變化,下列關于小球運動的說法正確的是(

)A.F突然消失,小球將沿軌跡Pa做離心運動B.F突然變小,小球將沿軌跡Pa做離心運動C.F突然變大,小球將沿軌跡Pb做離心運動D.F突然變小,小球將沿軌跡Pc逐漸靠近圓心解析:若F突然消失,小球所受合力突變?yōu)?,將沿切線方向勻速飛出