《2016-2017學(xué)年高中物理第4章勻速圓周運(yùn)動(dòng)第3節(jié)向心力的實(shí)例分析課件魯科版必修2.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2016-2017學(xué)年高中物理第4章勻速圓周運(yùn)動(dòng)第3節(jié)向心力的實(shí)例分析課件魯科版必修2.ppt（42頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、知 識(shí) 點(diǎn) 一 知 識(shí) 點(diǎn) 二 學(xué) 業(yè) 分 層 測 評(píng) 第 3 節(jié) 向心力的實(shí)例分 析 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.通過向心力的實(shí)例分析，會(huì) 分析向心力來源，體會(huì)勻速圓 周運(yùn)動(dòng)在生活、生產(chǎn)中的應(yīng) 用 (重點(diǎn) ) 2能應(yīng)用向心力和向心加速度 公式求解豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的 最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的向心力及向 心加速度 (重點(diǎn)、難點(diǎn) ) 3熟練掌握應(yīng)用牛頓第二定律 和向心力知識(shí)分析兩類豎直面 內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型的步驟和方 法 (重點(diǎn)、難點(diǎn) ) 轉(zhuǎn) 彎 時(shí) 的 向 心 力 實(shí) 例 分 析 先填空 1 汽車在水平路面轉(zhuǎn)彎： 汽車 向心力來源：受到的 提供 . 向心力方程： f . 最大速度： v fr m ，
2、受 的制約 . 靜摩擦 力 最大靜摩擦力 2 汽車、火車在內(nèi)低外高的路面上的轉(zhuǎn)彎： 汽車 火車 向心力來源：重力和支持力的合力提供 . 向心力方程： . 臨界速度： v gr tan ，取決于 和傾角 . 轉(zhuǎn)彎半徑 再判斷 1 汽車、火車轉(zhuǎn)彎時(shí)需要的向心力都是由重力提供的 ( ) 2 汽車在水平道路上行駛時(shí)，最大車速受地面最大靜摩擦力的制約 ( ) 3 火車彎道的半徑很大，故火車轉(zhuǎn)彎需要的向心力很小 ( ) 后思考 如圖 4 3 1 所示，下雨天路面比較濕滑，行駛的汽車如果速度過快，轉(zhuǎn)彎 時(shí)容易發(fā)生側(cè)滑，這是為什么？ 圖 4 3 1 【提示】 汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)需要的向心力是由地面靜摩擦力提供的，下雨
3、天路面 濕滑，最大靜摩擦力減小，故高速轉(zhuǎn) 彎時(shí)易發(fā)生側(cè)滑 合作探討 火車在鐵軌上轉(zhuǎn)彎可以看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖 4 3 2 所示，請(qǐng)思考： 圖 4 3 2 探討 1 ： 火車轉(zhuǎn)彎處的鐵軌有什么特點(diǎn)？ 【提示】 轉(zhuǎn)彎處鐵軌外高內(nèi)低 探討 2 ： 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】 車速過大，對(duì)外軌產(chǎn)生擠壓車速過小，對(duì)內(nèi)軌產(chǎn)生擠壓 核心點(diǎn)擊 1 軌道分析 火車在轉(zhuǎn)彎過程中，運(yùn)動(dòng)軌跡是一圓弧，由于火車轉(zhuǎn)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 向心力的來源分析 ( 如圖 4 3 3 所示 ) 圖 4 3
4、 3 火車速度合適時(shí)，火車受重力和支持力作用，火車轉(zhuǎn)彎所需的向心力完全由 重力和支持力的合力提供，合力沿水平方向，大小 F mg tan . 3 規(guī)定速度分析 若火車轉(zhuǎn)彎時(shí)只受重力和支持力作用，不受軌道壓力則 mg ta n m v 2 0 R ，可 得 v 0 gR ta n .( R 為彎道半徑， 為軌道所在平面與水平面的夾角， v 0 為轉(zhuǎn)彎處 的規(guī)定速度 ) 4 軌道壓力分析 1 賽車在傾斜的軌道上轉(zhuǎn)彎如圖 4 3 4 所示，彎道的傾角為 ，半徑為 r ， 則賽車完全不靠摩擦力轉(zhuǎn)彎的速率是 ( 設(shè)轉(zhuǎn)彎半徑水平 )( ) 圖 4 3 4 A. gr sin B. gr cos C. gr
5、 tan D. gr cot 【解析】 設(shè)賽車的質(zhì)量為 m ，賽車受力分析如圖所示， 可見： F 合 mg ta n ， 而 F 合 m v 2 r ，故 v gr ta n . 【答案】 C 2 火車在某個(gè)彎道按規(guī)定運(yùn)行速度 40 m /s 轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)、外軌對(duì)車輪皆無側(cè)壓 力，若火車在該彎道實(shí)際運(yùn)行速度為 30 m /s ，則下列說法中正確的是 ( ) 【導(dǎo)學(xué)號(hào) ： 01360132 】 A 僅內(nèi)軌對(duì)車輪有側(cè)壓力 B 僅外軌對(duì)車輪有側(cè)壓力 C 內(nèi)、外軌對(duì)車輪都有側(cè)壓力 D 內(nèi)、外軌對(duì)車輪均無側(cè)壓力 【解析】 火車在彎道按規(guī) 定運(yùn)行速度轉(zhuǎn)彎時(shí)，重力和支持力的合力提供向 心力，內(nèi)、外軌對(duì)車輪皆無
6、側(cè)壓力。若火車的運(yùn)行速度小于規(guī)定運(yùn)行速度時(shí)，重 力和支持力的合力大于火車需要的向心力，火車將做近心運(yùn)動(dòng)，內(nèi)軌對(duì)車輪產(chǎn)生 側(cè)壓力，重力、支持力和內(nèi)軌的側(cè)壓力的合力提供火車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，故 A 正確 【答案】 A 3 某游樂場里的賽車場為圓形，半徑為 100 m ，一賽車和乘客的總質(zhì)量為 100 kg ，車輪與地面間的最大靜摩擦力為 600 N ( g 取 10 m /s 2 ) (1) 若賽車的速度達(dá)到 72 k m /h ，這輛車在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)不會(huì)發(fā)生側(cè)移？ (2) 若將場地 建成外高內(nèi)低的圓形，且傾角為 30 ，并假設(shè)車輪和地面之間的最 大靜摩擦力不變，為保證賽車的行駛安全，賽車最大行
7、駛速度應(yīng)為多大？ 【解析】 (1) 賽車在場地上做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由靜摩擦力提供，如圖甲所 示賽車做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力為 F m v 2 r 400 N 600 N ，所以賽車在運(yùn)動(dòng)過 程中不會(huì)發(fā)生側(cè)移 甲 乙 (2) 若將場地建成外高內(nèi)低的圓形，則賽車做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由重力 mg 、支持力 N 和靜摩擦力的合力來提供，如圖乙 所示為賽車做圓周運(yùn)動(dòng)的后視圖 ( 賽車正垂直紙面向里運(yùn)動(dòng) ) 賽車以最大速度行駛時(shí)，地面對(duì)賽車的摩擦力為最大 靜摩擦力由牛頓第二定律得 水平方向： N sin f m ax cos m v 2 m ax r 豎直方向： N cos f m a x sin mg
8、0 代入數(shù)據(jù)解得 v m ax f m ax mg sin r m cos 35.6 m /s. 【答案】 (1) 不會(huì) (2 )35.6 m /s 火車 轉(zhuǎn)彎問題的解題策略 (1) 對(duì)火車轉(zhuǎn)彎問題一定要搞清合力的方向，指向圓心方向的合外力提供火車 做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，方向指向水平面內(nèi)的圓心 (2) 彎道兩軌在同一水平面上時(shí)，向心力由外軌對(duì)輪緣的擠壓力提供 豎 直 平 面 內(nèi) 的 圓 周 運(yùn) 動(dòng) 實(shí) 例 分 析 先填空 1 汽車過拱形橋 項(xiàng)目 汽車過凸形橋 汽車過凹形橋 向心力 支持力與重力合力 做向心力 支持力與重力合力 做向心力 方程 m v 2 r m v 2 r 支持力 N mg m
9、v 2 r 支持力 重力 mg N N mg gr 2. 過山車 ( 在最高點(diǎn)和最低點(diǎn) ) (1) 向心力來源：受力如圖 4 3 5 ，重力和支持力的合力提供向心力 圖 4 3 5 (2) 向心力方程 在最高點(diǎn)： m v 2 r ， v 越小， N 越小，當(dāng) N 0 時(shí) v m in gr 在最低點(diǎn)： m v 2 r N mg N mg 再判斷 1 過山車在運(yùn)動(dòng)時(shí)，做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng) ( ) 2 汽車在凸形橋上行駛時(shí)，速度較小時(shí)，對(duì)橋面的壓力大于車重，速度較大 時(shí)，對(duì)橋面的壓力小于車重 ( ) 3 汽車過凹形橋時(shí)，對(duì)橋面的壓力一定大于車重 ( ) 后思考 過山車和乘客在軌道上的運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)
10、( 如圖 4 3 6 甲、乙所示 ) 那么 甲 乙 圖 4 3 6 過山車駛至軌道的頂部，車與乘客都在軌道的下方，為什么不會(huì)掉下來？ 【提示】 過山車駛至軌道的頂部時(shí)，車所受的軌道的壓力和所受的重力的 合力提供車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，只改變速度方向，而不使物體做自由 落體運(yùn)動(dòng) 合作探討 小球分別在輕繩 ( 如圖 4 3 7 甲 ) 和輕桿 ( 如圖 4 3 7 乙 ) 的一端繞另一端 在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)思考： 圖 4 3 7 探討 1 ： 小球要在豎直平面內(nèi)完成圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)的最小速度能為零 嗎？ 【提示】 輕繩上的小球最小速度不能為零 輕桿上的小球最小速度可以為零 探討 2 ： 小球
11、經(jīng)過最高點(diǎn)時(shí)，與繩 ( 或桿 ) 之間的作用力可以為零嗎？ 【提示】 小球輕過最高點(diǎn)時(shí)與繩或桿的作用力可以為零 核心點(diǎn)擊 1 汽車過橋問題的分析： (1) 汽車過凸形橋 汽車在橋上運(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?向心力如圖 4 3 8 甲所示 圖 4 3 8 由牛頓第二定律得： G N m v 2 r ，則 N G m v 2 r . 汽車對(duì)橋的壓力與橋?qū)ζ嚨闹С至κ且粚?duì)相互作用力，即 N N G m v 2 r ，因此，汽車對(duì)橋的壓力小于重力，而且車速越大，壓力越小 當(dāng) 0 v gr 時(shí)， 0 N G . 當(dāng) v gr 時(shí)， N 0 ，汽車做平拋運(yùn)動(dòng)飛離橋面，發(fā)生
12、危險(xiǎn) 當(dāng) v gr 時(shí)，汽車做平拋運(yùn)動(dòng)飛離橋面，發(fā)生危險(xiǎn) (2) 汽車過凹形橋 如圖 4 3 8 乙所示，汽車經(jīng)過凹形橋面最低點(diǎn)時(shí)，受豎直向下的重力和豎 直向上的支持力，兩個(gè)力的合力提供向心力，則 N G m v 2 r ，故 N G m v 2 r . 由牛 頓第三定律得：汽車對(duì)凹形橋面的 壓力 N G m v 2 r ，大于汽車的重力，而且車 速越大，車對(duì)橋面的壓力越大 2 過山車問題分析： 如圖 4 3 9 所示，設(shè)過山車與坐在上面的人的質(zhì)量為 m ，軌道半徑為 r ，過山車經(jīng)過頂部時(shí)的速度為 v ，以人和車作為一個(gè)整體，在頂 部時(shí)所受向心力是由重力和軌道對(duì)車的彈力的合力提供的。由牛頓第
13、二定律得 mg N m v 2 r . 人和車要不從頂部掉下來，必須滿足的條件是： N 0. 當(dāng) N 0 時(shí)，過山車通過圓形軌道頂部的速度為臨界速度，此時(shí) 重力恰好提供過山車做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，即 mg m v 2 r ，臨界速度 為 v 臨界 gr ，過山車能通過最高點(diǎn)的條件是 v gr . 圖 4 3 9 3 輕繩模型： 如圖 4 3 10 所示，輕繩系的小球或在軌道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)的小球， 在最高點(diǎn)時(shí)的臨界狀態(tài)為只受重力，由 mg m v 2 r ，得 v gr . 圖 4 3 10 在最高點(diǎn)時(shí)： (1) v gr 時(shí)，拉力或壓力為零 (2) v gr 時(shí)，物體受向下的拉力或壓力，并且隨速度的增
14、大而增大 (3) v gr 時(shí)，物體不能達(dá)到最高點(diǎn) ( 實(shí)際上球未到最高點(diǎn)就脫離了軌道 ) 即繩類模型中小球在最高點(diǎn)的臨界速度為 v 臨 gr . 4 輕桿模型： 如圖 4 3 11 所示，在細(xì)輕桿上固定的小球或在管形軌道內(nèi)運(yùn) 動(dòng)的小球，由于桿和管能對(duì)小球產(chǎn)生向上的支持力，所以小球能在豎直平面內(nèi)做圓 周運(yùn)動(dòng)的條件是在最高點(diǎn)的速度大于或等于零，小球的受力情況為： 圖 4 3 11 (1) v 0 時(shí)，小球受向上的支持力 N mg . (2)0 v gr 時(shí)，小球受向上的支持力且隨速度的增大而減小 (3) v gr 時(shí)，小球只受重力 (4) v gr 時(shí)，小球受向下的拉力或壓力，并且隨速度的增大而
15、增大 即桿類模型中小球在最高點(diǎn)的臨界速度為 v 臨 0. 4 ( 多選 ) 如圖 4 3 12 所示，汽車以速度 v 通過一弧形的拱橋頂端時(shí)，關(guān)于 汽車受力的說法中正確的是 ( ) 圖 4 3 12 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(shí)，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(cuò)誤， B 正確；汽車受到的支持力比重力小， D 正確 【答案】 BD 5
16、長為 L 的細(xì)繩，一端系一質(zhì)量為 m 的小球，另一端固定于某點(diǎn)，當(dāng)繩豎直 時(shí)小球靜止，再給小球一水平初速度 v 0 ，使小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，并且 剛好能過最高點(diǎn)，則下列說法中正確的是 ( ) 【導(dǎo)學(xué)號(hào) ： 01360133 】 A 球過最高點(diǎn)時(shí)，速度為零 B 球過最高點(diǎn)時(shí)，繩的拉力為 mg C 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，繩的拉力為 m v 2 0 L D 球過最高點(diǎn)時(shí)，速度大小為 Lg 【解析】 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，由小球受的重力 mg 和繩的拉力 F 的合力提供向心 力，即 F mg m v 2 0 L ， F m v 2 0 L mg ，可見 C 不正確；小球剛好過最高點(diǎn)時(shí)，繩拉力 為 0 ， mg m
17、 v 2 L ， v Lg ， A 、 B 不正確故選 D. 【答案】 D 6 游樂場的過山車的運(yùn)動(dòng)過程可以抽象為圖 4 3 13 所示模型弧形軌道 的下端與圓軌道相接，使小球從弧形軌道上端 A 點(diǎn)由靜止滑下，進(jìn)入圓軌道后沿 圓軌道運(yùn)動(dòng)，最后離開試分析 A 點(diǎn)離地面高度 h 至少要多大，小球才可以順利通 過圓軌道最高點(diǎn) ( 已知圓軌道的半徑為 R ，不考慮摩擦等阻力 ) 圖 4 3 13 【解析】 小球恰好通過圓軌道的最高點(diǎn)時(shí)，軌道對(duì)小球的作用力為零小 球從 A 點(diǎn)到達(dá)圓軌道最高點(diǎn)的過程中，由機(jī)械能守恒定律得： mgh mg 2 R 1 2 m v 2 ， 在圓軌道最高處： mg m v 2 R ，解得 h 5 2 R . 【答案】 52 R “ 二明、一分、一用 ” 解豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)問題
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