人教教材《圓周運動》高中物理

6.4

生活中的圓周運動1.能定性分析火車外軌比內(nèi)軌高的原因。2.能定量分析汽車過拱形橋最高點和凹形橋最低點的壓力問題。3.知道航天器中的失重現(xiàn)象的本質(zhì)。4.知道離心運動及其產(chǎn)生條件，了解離心運動的應用和防止。5.會用牛頓第二定律分析圓周運動。學習目標

在鐵路彎道處，稍微留意一下，就能發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外軌道的高度略有不同。你能解釋其原因嗎？情景引入一、火車轉(zhuǎn)彎自學感知火車轉(zhuǎn)彎時實際是在做_____運動，因而具有_____加速度。是什么力使它產(chǎn)生向心加速度？與汽車輪胎不同的是，火車的車輪上有突出的_______。圓周向心輪緣新知講解輪緣火車車輪有突出的輪緣一、火車轉(zhuǎn)彎自學感知新知講解1、如果鐵路彎道的內(nèi)外軌一樣高，火車轉(zhuǎn)彎時，____車輪的輪緣擠壓外軌，______________是火車轉(zhuǎn)彎所需向心力的主要來源缺點：火車____太大,輪緣與外軌間的_________過大，___和____極易受損,可能使火車_____.外側(cè)外軌對輪緣的彈力質(zhì)量鐵軌相互作用力車輪側(cè)翻G與N平衡，F(xiàn)N是火車受到的合力FN是探究一：在修筑鐵路時，能不能適當選擇內(nèi)外軌的高度差，使轉(zhuǎn)彎時所需的向心力幾乎完全由重力G和支持力FN的合力來提供，從而使軌道對輪緣無擠壓？如果能，此時火車的速度為多大？火車轉(zhuǎn)彎時所需的向心力：Fn=

m

v2RF合＝mgtanθ答：能。由受力圖可知：v＝gRtanθ

根據(jù)F合＝Fn得：GFnNhLθθrθ很小時,sinθ≈tanθ而Sinθ=h/L得：v＝gRh/L

v就是此時火車的速度，叫做設計速度探究解惑注重過程提高能力思考:(1)如果v行駛>v設計，情況如何?(2)如果v行駛<v設計，情況又如何?（1）當v行駛

>v設計時：輪緣受到外軌向內(nèi)的擠壓力，外軌易損壞。（2）當v行駛

<v設計時：輪緣受到內(nèi)軌向外的擠壓力，內(nèi)軌易損壞。GFNθFOFGFNθFOF鐵路彎道處超速是火車脫軌和翻車的主要原因【例1】(多選)火車轉(zhuǎn)彎可近似看成是做勻速圓周運動。當火車以規(guī)定速度通過時,內(nèi)外軌道均不受側(cè)向擠壓?，F(xiàn)要降低火車轉(zhuǎn)彎時的規(guī)定速度,需對鐵路進行改造,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【解析】選A、C。當火車以規(guī)定速度通過彎道時,火車的重力和支持力的合力提供向心力,如圖所示:即Fn=mgtanθ,而Fn=故gRtanθ=v2,若使火車經(jīng)彎道時的速度v減小,則可以減小傾角θ,即減小內(nèi)外軌的高度差,或者減小彎道半徑R,故A、C正確,B、D錯誤。自學感知

向心力是按_______命名的力，任何_______或________的合力，只要它的_________是使物體產(chǎn)生向心加速度，它就是物體的_________。并不是除了受到另外物體的作用，還要再受一個_________。效果一個力幾個力作用效果向心力向心力

探究二：高速公路轉(zhuǎn)彎處和場地自行車比賽的賽道，路面往往有一定的傾斜度，說說這樣設計的原因。汽車和自行車都在做圓周運動，都需要一個向心力,而向心力是車輪與地面的摩擦力提供的,由于摩擦力的大小是有限的，當汽車與地面的摩擦力不足以提供向心力時汽車就會發(fā)生側(cè)滑，發(fā)生事故，如果高速公路轉(zhuǎn)彎處和場地自行車比賽的賽道路面有一定的傾斜度，這樣重力和支持力的合力可以提供一部分向心力，使行駛更安全。探究解惑注重過程提高能力(3)x1、x2均為沿動量方向相對于同一參考系的位移．二、新課教學在與動量相關(guān)的臨界問題中，臨界條件常常表現(xiàn)為兩物體的相對速度關(guān)系與相對位移關(guān)系，即速度相等或位移相等．答案：（1）A、B、C（2）E、F（3）A、D、E(或B、D、E或C、D、E)2．電磁場(1)現(xiàn)象：物體的不同部分在內(nèi)力的作用下向相反方向運動．(3)單位：千克·米/秒，符號：kg·m/s.②結(jié)合光速不變原理，分析光傳播到兩個事件所用的時間．考點五有關(guān)核能的計算[師](引導同學們明白)要比較兩車誰跑得快，就要比較兩車速度的大小，要比較兩車速度的大小，就要統(tǒng)一單位．(1)概率波：光的干涉現(xiàn)象是大量光子的運動遵守波動規(guī)律的表現(xiàn)，亮條紋是光子到達概率大的地方，暗條紋是光子到達概率小的地方，因此光波又叫概率波．(3)“動鐘變慢”是兩個不同慣性系進行時間比較的結(jié)果，也是相對的，即兩個慣性系中的觀察者都發(fā)現(xiàn)對方的鐘變慢了．熟練運用類比法【例2】．某游樂場里的賽車場地為圓形，半徑為100m，一賽車和車手的總質(zhì)量為100kg，輪胎與地面間的最大靜摩擦力為600N。(g取10m/s2)(1)若賽車的速度達到72km/h，這輛車在運動過程中會不會發(fā)生側(cè)滑？(2)若將場地建成外高內(nèi)低的圓形，且傾角為30°，賽車的速度多大時，車手感覺不到自己有相對車側(cè)向運動的趨勢？解析(1)賽車在場地上做圓周運動的向心力由靜摩擦力提供。賽車做圓周運動所需的向心力為Fn＝

mv02/r

＝400N<600N，所以賽車在運動過程中不會發(fā)生側(cè)滑。(2)由題意得車手不受座椅側(cè)向的摩擦力，于是車手只受支持力和重力，由牛頓第二定律知mgtanθ＝mv2/r，解得

≈24m/s。v＝gRtanθ

二、汽車過拱形橋自學感知汽車過拱形橋最高點時，受到____和_____，它們的____就是使汽車做圓周運動的向心力F，鑒于向心加速度的方向是_________。故合力為F＝________，因為F＝mv2/r所以G－FN

＝mv2/rFN＝

____________由牛頓第三定律，汽車對橋的壓力：

FN′＝G－mv2/r，可以看出FN′<___，而且汽車的速度越大，汽車對橋的壓力____。新知講解合力為F＝G－FNaGFNv重力支持力合力豎直向下的G－FNG－mv2/rG越小受力分析：探究三：當恰好FN′=0時，汽車的速度為多大？當汽車以越來越大的速度通過拱形橋的最高點時，會發(fā)生什么現(xiàn)象？當恰好FN′=0時，重力提供物體做圓周運動的向心力由FN′＝mg－mv2/r<mg可知，速度越來越大，F(xiàn)N′越來越小，v2Rmg＝mv＝gR解得：即：探究解惑注重過程提高能力當FN′=0，即：，汽車脫離橋面飛起做平拋運動，汽車及其中的物體處于完全失重狀態(tài)。v

gR【例3】一輛質(zhì)量為800kg的汽車在圓弧半徑為50m的拱橋上行駛（g取10m/s2）。（1）若汽車到達橋頂時速度為v1=5m/s，汽車對橋面的壓力是多大？（2）汽車以多大速度經(jīng)過橋頂時，恰好對橋面沒有壓力？（3）汽車對橋面的壓力過小是不安全的，因此汽車過橋時的速度不能過大。對于同樣的車速，拱橋圓弧的半徑大些比較安全，還是小些比較安全？【解】汽車到達拱橋橋頂時，受到重力mg和橋面對它的支持力N的作用，如圖所示。（1）汽車過拱橋時做圓周運動，重力和支持力的合力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律有mg-N=mv12/R所以N=mg-mv12/R=7600,由牛頓第三定律知汽車對橋面的壓力為7600N（3）由（2）問可知，當N=0時，汽車會離開橋面，這是不安全的，所以對于同樣的車速，拱橋圓弧的半徑大些比較安全。（2）當汽車做圓周運動的向心力完全由自身重力來提供時，汽車經(jīng)過拱橋橋頂時恰好對橋面沒有壓力，則N=0，所以有mg=mv2/R解得v=≈22.4m/s。探究四：汽車通過凹形路面的最低點時，車對地面的壓力比汽車所受的重力大些還是小些？2、汽車通過凹形路面汽車通過凹形橋路面的最低點時，受到重力和支持力，它們的合力就是使汽車做圓周運動的向心力F，鑒于向心加速度的方向是豎直向上的FN

－mg＝

mv2/r，F(xiàn)N

＝mg+mv2/r＞mg由牛頓第三定律得，汽車對路面的壓力比汽車重力大，F(xiàn)N′＝mg+mv2/r>mgmgFNaFN

－mg＝mv2/r【例4】秋千的吊繩有些磨損，在擺動過程中，吊繩最容易斷裂的時候是秋千(

)A．在下擺過程中B．在上擺過程中C．擺到最高點時D．擺到最低點時

解析當秋千擺到最低點時速度最大，由F－mg＝m知，吊繩中拉力F最大，吊繩最容易斷裂，D正確。拱形橋：凹形橋：水平橋：探究結(jié)論汽車經(jīng)過不同類型的橋時壓力不同：思考討論可以把地球看作一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球的半徑R。地面上有一輛汽車在行駛，所受重力G＝mg，地面對它的支持力是FN，根據(jù)上面的分析，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小。會不會出現(xiàn)這樣的情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力是0？這時駕駛員與座椅之間的壓力是多少？駕駛員軀體各部分之間的壓力是多少？他這時可能有什么感覺？解：若地面對車的支持力恰好為零，那么車的重力提供向心力，即mg＝mv2/r，所以v＝gr＝6.4×106×9.8m/s＝7.9×103m/s＝7.9km/s.這時駕駛員與座椅之間的壓力也為零，所有因重力引起的壓力都變?yōu)榱悖幱谕耆е貭顟B(tài)，駕駛員軀體各部分之間的壓力也為零,這時,他站著坐著躺著的感覺都是一樣的，處于完全失重狀態(tài)。自學感知三、航天器中的失重現(xiàn)象當飛船距地面高度為100?200km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。1.向心力分析:宇航員受到的_________與__________________的合力為他提供向心力。________=。2.失重狀態(tài):當v=_____時,座艙對宇航員的支持力為零,宇航員處于完全失重狀態(tài)。地球引力座艙對他的支持力mg-FN自學感知新知講解四、離心運動1、做圓周運動的物體，如果____力突然消失，由于慣性，總有沿著_____方向飛出去的傾向。2、離心運動做圓周運動的物體，在所受合外力突然______或_______提供圓周運動所需向心力時，就做逐漸_____圓心的運動，這種運動就叫離心運動。F合=

mω2r，物體做勻速圓周運動F合＜mω2r，物體做逐漸遠離圓心的運動F

合=

0，物體沿切線方向飛出遠離圓心O切線向心消失不足以遠離4、離心運動的應用和防止（1）離心運動的應用①洗衣機脫水洗衣機脫水時利用離心運動把附著在物體上的水分甩掉；紡織廠也用這樣的方法使棉紗、毛線、紡織品干燥。②在煉鋼廠中，把熔化的鋼水澆入圓柱形模子，模子沿圓柱的中心軸線高速旋轉(zhuǎn)。鋼水由于離心運動趨于周壁，冷卻后就形成無縫鋼管。③借助離心機，醫(yī)務人員可以從血液中分離出血漿和紅細胞本節(jié)內(nèi)容是壓強在液體物態(tài)中的表現(xiàn)，因為該節(jié)知識比較抽象，學生已有的感性認識少，并且還應用到了密度和力的平衡的知識，所以對學生來說這是難點節(jié)?？键c五有關(guān)核能的計算[師]它們做機械運動的情況有沒有什么區(qū)別呢?[板書]速度等于運動物體在單位時間內(nèi)通過的路程．考點二電磁波譜及電磁波的應用三、天然放射現(xiàn)象、原子核的組成探究式教學Ek＝hν－W0勻速直線運動的判斷及速度單位的換算．·動畫片“龜、兔賽跑”的片斷近視眼和遠視眼的矯正與學生生活息息相關(guān)，應用的物理知識比較多，而要解決這些問題，學生必須了解眼睛成像原理和調(diào)節(jié)作用，以及近視眼遠視眼的成因，所以本節(jié)課的重難點是：[生]第一步：數(shù)值和單位分離；第二步：等量代換；第三步：進行計算．(6)驗證：一維碰撞中的動量守恒．(2)進行受力分析．（2）、離心運動的防止OF靜v當時，做離心運動Fmax＜m

v2r①、在水平公路上行駛的汽車，轉(zhuǎn)彎時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)彎時速度過大，所需向心力Fn大于最大靜摩擦力Fmax，汽車將做離心運動而造成交通事故.因此，在公路彎道處，車輛行駛不允許超過規(guī)定的速度.