《生活中的圓周運(yùn)動(dòng)》圓周運(yùn)動(dòng)PPT課件
第一部分內(nèi)容：必備知識(shí)·素養(yǎng)奠基
一、火車轉(zhuǎn)彎
【思考】
火車轉(zhuǎn)彎時(shí)外軌與內(nèi)軌的高度一樣嗎?火車的車輪設(shè)計(jì)有什么特點(diǎn)?
提示:火車轉(zhuǎn)彎時(shí)外軌與內(nèi)軌的高度不一樣,外高內(nèi)低�；疖嚨能囕喸O(shè)計(jì)有突出的輪緣。
1.火車車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):火車的車輪上有突出的輪緣,火車行駛時(shí),有輪緣的一側(cè)在軌道內(nèi)。
作用:有助于固定運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.火車在彎道上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn):圓周運(yùn)動(dòng),有指向圓心的向心加速度。
3.向心力的來源:當(dāng)內(nèi)外軌一樣高時(shí),____________的________提供向心力。
當(dāng)內(nèi)外軌有高度差時(shí),依據(jù)規(guī)定的速度行駛,____________________提供向心力。
二、汽車過拱形橋
三、航天器中的失重現(xiàn)象
【思考】
物體放在水平桌面上,它會(huì)對(duì)桌面產(chǎn)生壓力;如果航天器繞地球做圓周運(yùn)動(dòng),那么航天器中的物體會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生壓力嗎?
提示:航天器中的物體不會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生壓力。
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(dāng)v=_____時(shí),座艙對(duì)宇航員的支持力為零,宇航員處于完全失重狀態(tài)。
四、離心運(yùn)動(dòng)
1.涵義:物體沿_________飛出或做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)。
2.原因:向心力突然消失或_____________提供所需要的向心力。
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生活中的圓周運(yùn)動(dòng)PPT，第二部分內(nèi)容：關(guān)鍵能力·素養(yǎng)形成
一 火車轉(zhuǎn)彎
1.鐵路的彎道:
(1)如果鐵路彎道的內(nèi)外軌一樣高,外側(cè)車輪的輪緣擠壓外軌,使外軌發(fā)生彈性形變,外軌對(duì)輪緣的彈力就是火車轉(zhuǎn)彎的向心力,如圖甲所示,但是火車的質(zhì)量很大,靠這種辦法得到向心力,輪緣與外緣間的相互作用力太大,鐵軌和車輪極易受損。
(2)如果在彎道處使外軌略高于內(nèi)軌,如圖乙所示,火車轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌對(duì)火車的支持力FN的方向不再是豎直的,而是指向斜向彎道的內(nèi)側(cè),它與重力的合力指向圓心,為火車轉(zhuǎn)彎提供了全部或部分向心力,減輕了輪緣與外軌的擠壓。
2.火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的規(guī)定速度:
(1)相關(guān)物理量:若火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的向心力完全由重力mg和支持力FN的合力提供,設(shè)內(nèi)、外軌間的距離為L,兩軌高度差為h,火車轉(zhuǎn)彎半徑為R,火車的質(zhì)量為m。
(2)理論分析:根據(jù)幾何關(guān)系知sin θ=____ ;由圖示火車的受力情況可得,tan θ=____ ,當(dāng)θ很小時(shí),近似認(rèn)為sin θ=tan θ,即____ ,所以F合=mg____ 。由向心力公式知,F合= ____ ,所以 ____ ,得v0=____。由于鐵軌建成后,h、L、R各量是確定的,故火車轉(zhuǎn)彎時(shí)恰對(duì)軌道無側(cè)壓力時(shí)的車速應(yīng)是一個(gè)定值,即規(guī)定速度。
(3)速度關(guān)系:
①當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度v=v0時(shí),輪緣對(duì)內(nèi)、外軌均無側(cè)向壓力。
②當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎速度v>v0時(shí),外軌對(duì)輪緣有向里的側(cè)壓力。
③當(dāng)火車轉(zhuǎn)彎速度v<v0時(shí),內(nèi)軌對(duì)輪緣有向外的側(cè)壓力。
【思考·討論】
情境:高速列車通過如圖所示的彎道時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
討論:
(1)高速列車轉(zhuǎn)彎處的鐵軌有什么特點(diǎn)以及轉(zhuǎn)彎時(shí)哪些力提供向心力?(科學(xué)思維)
提示:轉(zhuǎn)彎處鐵軌外高內(nèi)低;轉(zhuǎn)彎時(shí)由重力和支持力的合力提供向心力。
(2)高速列車轉(zhuǎn)彎時(shí)速度過大或過小,會(huì)對(duì)哪側(cè)的軌道有側(cè)壓力?(科學(xué)思維)
提示:①速度過大,對(duì)外側(cè)軌道有側(cè)壓力。
②速度過小,對(duì)內(nèi)側(cè)軌道有側(cè)壓力。
【典例示范】
(多選)在設(shè)計(jì)水平面內(nèi)的火車軌道的轉(zhuǎn)彎處時(shí),要設(shè)計(jì)為外軌高、內(nèi)軌低的結(jié)構(gòu),即路基形成一外高、內(nèi)低的斜坡(如圖所示),內(nèi)、外兩鐵軌間的高度差在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮到鐵軌轉(zhuǎn)彎的半徑和火車的行駛速度大小。若某轉(zhuǎn)彎處設(shè)計(jì)為當(dāng)火車以速率v通過時(shí),內(nèi)、外兩側(cè)鐵軌所受輪緣對(duì)它們的壓力均恰好為零。車輪與鐵軌間的摩擦可忽略不計(jì),則下列說法中正確的是 ( )
A.當(dāng)火車以速率v通過此彎路時(shí),火車所受各力的合力方向沿路基向下
B.當(dāng)火車以速率v通過此彎路時(shí),火車所受重力與鐵軌對(duì)其支持力的合力提供向心力
C.當(dāng)火車行駛的速率大于v時(shí),外側(cè)鐵軌對(duì)車輪的輪緣施加壓力
D.當(dāng)火車行駛的速率小于v時(shí),外側(cè)鐵軌對(duì)車輪的輪緣施加壓力
【解析】選B、C�；疖囖D(zhuǎn)彎時(shí),內(nèi)、外兩側(cè)鐵軌所受輪緣對(duì)它們的壓力均恰好為零,靠重力和支持力的合力提供向心力,方向水平指向圓心,故A錯(cuò)誤,B正確;當(dāng)速度大于v時(shí),重力和支持力的合力小于所需向心力,此時(shí)外軌對(duì)車輪輪緣施加壓力,故C正確;當(dāng)速度小于v時(shí),重力和支持力的合力大于向心力,此時(shí)內(nèi)軌對(duì)車輪輪緣施加壓力,故D錯(cuò)誤。
【素養(yǎng)訓(xùn)練】
1.(多選)火車轉(zhuǎn)彎可近似看成是做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)火車以規(guī)定速度通過時(shí),內(nèi)外軌道均不受側(cè)向擠壓�，F(xiàn)要降低火車轉(zhuǎn)彎時(shí)的規(guī)定速度,需對(duì)鐵路進(jìn)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(dāng)火車以規(guī)定速度通過彎道時(shí),火車的重力和支持力的合力提供向心力,如圖所示:
2.(多選)山崖邊的公路常常稱為最險(xiǎn)公路,一輛汽車欲安全通過此彎道公路,下列說法正確的是 ( )
A.若汽車以恒定的角速度轉(zhuǎn)彎,選擇內(nèi)圈較為安全
B.若汽車以大小恒定的線速度轉(zhuǎn)彎,選擇外圈較為安全
C.汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)受到重力、支持力和摩擦力作用
D.汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)受到重力、支持力、摩擦力和向心力作用
二 汽車過拱形橋
1.汽車通過拱形橋的最高點(diǎn)時(shí)的情況:
如圖所示,設(shè)汽車質(zhì)量為m,橋面的圓弧半徑為r,汽車通過橋面最高點(diǎn)時(shí)速率為v。
2.汽車通過凹形橋的最低點(diǎn)時(shí)的情況:
如圖所示,汽車在豎直方向受到重力mg和橋的支持力FN的作用,此二力的合力提供汽車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,
3.處理圓周運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題的一般思路:
(1)確定物體做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道平面、圓心。
(2)根據(jù)幾何關(guān)系求出軌道半徑。
(3)對(duì)物體進(jìn)行受力分析,確定向心力來源。
(4)根據(jù)牛頓第二定律列方程求解。
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