《生活中的圆周运动》圆周运动PPT课件
第一部分内容：必备知识·素养奠基
一、火车转弯
【思考】
火车转弯时外轨与内轨的高度一样吗?火车的车轮设计有什么特点?
提示:火车转弯时外轨与内轨的高度不一样,外高内低。火车的车轮设计有突出的轮缘。
1.火车车轮的结构特点:火车的车轮上有突出的轮缘,火车行驶时,有轮缘的一侧在轨道内。
作用:有助于固定运动轨迹。
2.火车在弯道上的运动特点:圆周运动,有指向圆心的向心加速度。
3.向心力的来源:当内外轨一样高时,____________的________提供向心力。
当内外轨有高度差时,依据规定的速度行驶,____________________提供向心力。
二、汽车过拱形桥
三、航天器中的失重现象
【思考】
物体放在水平桌面上,它会对桌面产生压力;如果航天器绕地球做圆周运动,那么航天器中的物体会对航天器产生压力吗?
提示:航天器中的物体不会对航天器产生压力。
1.向心力分析:宇航员受到的_________与__________________的合力为他提供向心力。_____= 。
2.失重状态:当v=_____时,座舱对宇航员的支持力为零,宇航员处于完全失重状态。
四、离心运动
1.涵义:物体沿_________飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2.原因:向心力突然消失或_____________提供所需要的向心力。
... ... ...
生活中的圆周运动PPT，第二部分内容：关键能力·素养形成
一 火车转弯
1.铁路的弯道:
(1)如果铁路弯道的内外轨一样高,外侧车轮的轮缘挤压外轨,使外轨发生弹性形变,外轨对轮缘的弹力就是火车转弯的向心力,如图甲所示,但是火车的质量很大,靠这种办法得到向心力,轮缘与外缘间的相互作用力太大,铁轨和车轮极易受损。
(2)如果在弯道处使外轨略高于内轨,如图乙所示,火车转弯时铁轨对火车的支持力FN的方向不再是竖直的,而是指向斜向弯道的内侧,它与重力的合力指向圆心,为火车转弯提供了全部或部分向心力,减轻了轮缘与外轨的挤压。
2.火车转弯时的规定速度:
(1)相关物理量:若火车转弯时的向心力完全由重力mg和支持力FN的合力提供,设内、外轨间的距离为L,两轨高度差为h,火车转弯半径为R,火车的质量为m。
(2)理论分析:根据几何关系知sin θ=____ ;由图示火车的受力情况可得,tan θ=____ ,当θ很小时,近似认为sin θ=tan θ,即____ ,所以F合=mg____ 。由向心力公式知,F合= ____ ,所以 ____ ,得v0=____。由于铁轨建成后,h、L、R各量是确定的,故火车转弯时恰对轨道无侧压力时的车速应是一个定值,即规定速度。
(3)速度关系:
①当火车转弯时的速度v=v0时,轮缘对内、外轨均无侧向压力。
②当火车转弯速度v>v0时,外轨对轮缘有向里的侧压力。
③当火车转弯速度v<v0时,内轨对轮缘有向外的侧压力。
【思考·讨论】
情境:高速列车通过如图所示的弯道时做匀速圆周运动
讨论:
(1)高速列车转弯处的铁轨有什么特点以及转弯时哪些力提供向心力?(科学思维)
提示:转弯处铁轨外高内低;转弯时由重力和支持力的合力提供向心力。
(2)高速列车转弯时速度过大或过小,会对哪侧的轨道有侧压力?(科学思维)
提示:①速度过大,对外侧轨道有侧压力。
②速度过小,对内侧轨道有侧压力。
【典例示范】
(多选)在设计水平面内的火车轨道的转弯处时,要设计为外轨高、内轨低的结构,即路基形成一外高、内低的斜坡(如图所示),内、外两铁轨间的高度差在设计上应考虑到铁轨转弯的半径和火车的行驶速度大小。若某转弯处设计为当火车以速率v通过时,内、外两侧铁轨所受轮缘对它们的压力均恰好为零。车轮与铁轨间的摩擦可忽略不计,则下列说法中正确的是 ( )
A.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受各力的合力方向沿路基向下
B.当火车以速率v通过此弯路时,火车所受重力与铁轨对其支持力的合力提供向心力
C.当火车行驶的速率大于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
D.当火车行驶的速率小于v时,外侧铁轨对车轮的轮缘施加压力
【解析】选B、C。火车转弯时,内、外两侧铁轨所受轮缘对它们的压力均恰好为零,靠重力和支持力的合力提供向心力,方向水平指向圆心,故A错误,B正确;当速度大于v时,重力和支持力的合力小于所需向心力,此时外轨对车轮轮缘施加压力,故C正确;当速度小于v时,重力和支持力的合力大于向心力,此时内轨对车轮轮缘施加压力,故D错误。
【素养训练】
1.(多选)火车转弯可近似看成是做匀速圆周运动。当火车以规定速度通过时,内外轨道均不受侧向挤压。现要降低火车转弯时的规定速度,需对铁路进行改造,从理论上讲以下措施可行的是( )
A.减小内外轨的高度差 B.增加内外轨的高度差
C.减小弯道半径 D.增大弯道半径
【解析】选A、C。当火车以规定速度通过弯道时,火车的重力和支持力的合力提供向心力,如图所示:
2.(多选)山崖边的公路常常称为最险公路,一辆汽车欲安全通过此弯道公路,下列说法正确的是 ( )
A.若汽车以恒定的角速度转弯,选择内圈较为安全
B.若汽车以大小恒定的线速度转弯,选择外圈较为安全
C.汽车在转弯时受到重力、支持力和摩擦力作用
D.汽车在转弯时受到重力、支持力、摩擦力和向心力作用
二 汽车过拱形桥
1.汽车通过拱形桥的最高点时的情况:
如图所示,设汽车质量为m,桥面的圆弧半径为r,汽车通过桥面最高点时速率为v。
2.汽车通过凹形桥的最低点时的情况:
如图所示,汽车在竖直方向受到重力mg和桥的支持力FN的作用,此二力的合力提供汽车做圆周运动的向心力,
3.处理圆周运动力学问题的一般思路:
(1)确定物体做圆周运动的轨道平面、圆心。
(2)根据几何关系求出轨道半径。
(3)对物体进行受力分析,确定向心力来源。
(4)根据牛顿第二定律列方程求解。
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