《生活中的圓周運動》圓周運動PPT課件
第一部分內容：必備知識·素養奠基
一、火車轉彎
【思考】
火車轉彎時外軌與內軌的高度一樣嗎?火車的車輪設計有什么特點?
提示:火車轉彎時外軌與內軌的高度不一樣,外高內低?；疖嚨能囕喸O計有突出的輪緣。
1.火車車輪的結構特點:火車的車輪上有突出的輪緣,火車行駛時,有輪緣的一側在軌道內。
作用:有助于固定運動軌跡。
2.火車在彎道上的運動特點:圓周運動,有指向圓心的向心加速度。
3.向心力的來源:當內外軌一樣高時,____________的________提供向心力。
當內外軌有高度差時,依據規定的速度行駛,____________________提供向心力。
二、汽車過拱形橋
三、航天器中的失重現象
【思考】
物體放在水平桌面上,它會對桌面產生壓力;如果航天器繞地球做圓周運動,那么航天器中的物體會對航天器產生壓力嗎?
提示:航天器中的物體不會對航天器產生壓力。
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: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。
四、離心運動
1.涵義:物體沿_________飛出或做逐漸遠離圓心的運動。
2.原因:向心力突然消失或_____________提供所需要的向心力。
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生活中的圓周運動PPT，第二部分內容：關鍵能力·素養形成
一 火車轉彎
1.鐵路的彎道:
(1)如果鐵路彎道的內外軌一樣高,外側車輪的輪緣擠壓外軌,使外軌發生彈性形變,外軌對輪緣的彈力就是火車轉彎的向心力,如圖甲所示,但是火車的質量很大,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軌,如圖乙所示,火車轉彎時鐵軌對火車的支持力FN的方向不再是豎直的,而是指向斜向彎道的內側,它與重力的合力指向圓心,為火車轉彎提供了全部或部分向心力,減輕了輪緣與外軌的擠壓。
2.火車轉彎時的規定速度:
(1)相關物理量:若火車轉彎時的向心力完全由重力mg和支持力FN的合力提供,設內、外軌間的距離為L,兩軌高度差為h,火車轉彎半徑為R,火車的質量為m。
(2)理論分析:根據幾何關系知sin θ=____ ;由圖示火車的受力情況可得,tan θ=____ ,當θ很小時,近似認為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,故火車轉彎時恰對軌道無側壓力時的車速應是一個定值,即規定速度。
(3)速度關系:
①當火車轉彎時的速度v=v0時,輪緣對內、外軌均無側向壓力。
②當火車轉彎速度v>v0時,外軌對輪緣有向里的側壓力。
③當火車轉彎速度v<v0時,內軌對輪緣有向外的側壓力。
【思考·討論】
情境:高速列車通過如圖所示的彎道時做勻速圓周運動
討論:
(1)高速列車轉彎處的鐵軌有什么特點以及轉彎時哪些力提供向心力?(科學思維)
提示:轉彎處鐵軌外高內低;轉彎時由重力和支持力的合力提供向心力。
(2)高速列車轉彎時速度過大或過小,會對哪側的軌道有側壓力?(科學思維)
提示:①速度過大,對外側軌道有側壓力。
②速度過小,對內側軌道有側壓力。
【典例示范】
(多選)在設計水平面內的火車軌道的轉彎處時,要設計為外軌高、內軌低的結構,即路基形成一外高、內低的斜坡(如圖所示),內、外兩鐵軌間的高度差在設計上應考慮到鐵軌轉彎的半徑和火車的行駛速度大小。若某轉彎處設計為當火車以速率v通過時,內、外兩側鐵軌所受輪緣對它們的壓力均恰好為零。車輪與鐵軌間的摩擦可忽略不計,則下列說法中正確的是 ( )
A.當火車以速率v通過此彎路時,火車所受各力的合力方向沿路基向下
B.當火車以速率v通過此彎路時,火車所受重力與鐵軌對其支持力的合力提供向心力
C.當火車行駛的速率大于v時,外側鐵軌對車輪的輪緣施加壓力
D.當火車行駛的速率小于v時,外側鐵軌對車輪的輪緣施加壓力
【解析】選B、C?；疖囖D彎時,內、外兩側鐵軌所受輪緣對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錯誤,B正確;當速度大于v時,重力和支持力的合力小于所需向心力,此時外軌對車輪輪緣施加壓力,故C正確;當速度小于v時,重力和支持力的合力大于向心力,此時內軌對車輪輪緣施加壓力,故D錯誤。
【素養訓練】
1.(多選)火車轉彎可近似看成是做勻速圓周運動。當火車以規定速度通過時,內外軌道均不受側向擠壓?，F要降低火車轉彎時的規定速度,需對鐵路進行改造,從理論上講以下措施可行的是( )
A.減小內外軌的高度差 B.增加內外軌的高度差
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:
2.(多選)山崖邊的公路常常稱為最險公路,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彎,選擇內圈較為安全
B.若汽車以大小恒定的線速度轉彎,選擇外圈較為安全
C.汽車在轉彎時受到重力、支持力和摩擦力作用
D.汽車在轉彎時受到重力、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時的情況:
如圖所示,設汽車質量為m,橋面的圓弧半徑為r,汽車通過橋面最高點時速率為v。
2.汽車通過凹形橋的最低點時的情況:
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動的向心力,
3.處理圓周運動力學問題的一般思路:
(1)確定物體做圓周運動的軌道平面、圓心。
(2)根據幾何關系求出軌道半徑。
(3)對物體進行受力分析,確定向心力來源。
(4)根據牛頓第二定律列方程求解。
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