人教版高中物理必修二《生活中的圆周运动》ppt课件.ppt

1、F合,“供需“平衡 物体做匀速圆周运动,向心力公式的理解,从“供“需“两方面研究做圆周运动的物体,汽车在水平地面上转弯是什么力提供向心力的呢?,实例研究汽车转弯,汽车在水平路面上转弯所需要的向心力来源:汽车侧向所受的静摩擦力。,当汽车转弯的半径一定时,汽车的速度v越大,所需的向心力也越大,静摩擦力也越大,当静摩擦力为最大静摩擦力时:,某司机驾车在丽龙高速出口,通过水平转盘时出了车祸。讨论其原因,交通部门有责任么?如果你是公路的设计师,请提出你的道路改进措施?,转弯处的路面内低外高!,G,Ff,FN,由此可见:当汽车以沿圆盘转弯时,存在一个安全通过的最大速度,如果超过了这个速度,汽车将发生侧滑现

2、象。,改进措施: (1)增大圆盘半径 (2)增加路面的粗糙程度 (3)增加路面高度差外高内低 (4)最重要的一点:司机应该减速慢行!,实例研究火车转弯,火车以半径R= 300m在水平轨道上转弯,火车质量为8105kg,速度为30m/s。铁轨与轮之间的动摩擦因数=0.25。,设向心力由轨道指向圆心的静摩擦力提供,代入数据可得:Ff=2.4106N,但轨道提供的静摩擦力最大值: Ffmax=mg=1.96106N,“供需“不平衡,如何解决?,c：由于该弹力是由轮缘和外轨的挤压产生的，且由于火车质量很大，故轮缘和外轨间的相互作用力很大，易损坏铁轨。,a：此时火车受三个力：重力、支持力、外轨对轮缘的弹

3、力。,b：外轨对轮缘的弹力F提供向心力。,最佳设计方案,火车以半径R=900 m转弯,火车质量为8105kg ,速度为30m/s,火车轨距l=1.4 m,要使火车通过弯道时仅受重力与轨道的支持力,轨道应该垫的高度h?(较小时tan=sin),由力的关系得:,由向心力公式得:,由几何关系得:,解：,=0.14m,研究与讨论,若火车速度与设计速度不同会怎样?,外侧,内侧,过大时： 外侧轨道与轮之间有弹力,过小时： 内侧轨道与轮之间有弹力,需要轮缘提供额外的弹力满足向心力的需求,若火车车轮无轮缘,火车速度过大或过小时将向哪侧运动?,过大时:火车向外侧运动 过小时:火车向内侧运动,“供需“不平衡,列车

4、速度过快,造成翻车事故,1、汽车过拱桥 质量为m 的汽车以恒定的速率v通过半径为r的拱桥,如图所示,求汽车在桥顶时对路面的压力是多大?,实例研究汽车过桥,解:汽车通过桥顶时,受力如图:,O,r,由牛顿第二定律:,由牛顿第三定律:,当汽车通过桥顶时的速度逐渐增大时FN 和 FN会怎样变化?,失重,你见过凹形桥吗?,泸定桥,拓展:质量为m的汽车以恒定的速率v通过半径为r的凹形桥面,如图所示,求汽车在最低点时对桥面的压力是多大?,解:汽车通过底部时,受力如图:,由牛顿第二定律:,当汽车通过桥最低点时的速度逐渐增大时 FN和FN怎样变化?,由牛顿第三定律：,超重,比较三种桥面受力的情况,G,FN,G,

5、G,FN,FN,实例研究飞车走壁,摩托车飞车走壁,请分析受力情况,解释现象。,实例研究杂技“水流星”,使盛水的小桶在竖直平面内做圆周运动，要使水在小桶转到最高点时不从小桶内流出来，这时小桶的线速度至少应多大？（设绳长为L）,研究对象：,水,水在最高点受力情况如何？水恰不流出的条件是什么？,受重力（压力为零）.,列出表达式，计算.,实例研究 航天器中的失重显现,宇航员处于完全是中的状态，这种现象与向心力又有怎么样的联系呢？与水流星的原理有什么一同？,航天器中的失重现象,地球可以看成一个巨大的拱形桥,极限速度分析：,FN=,Mg - FN=,令FN=0，有：,人处于完全失重状态,做匀速圆周运动的物

6、体,在一定条件下,做逐渐远离圆心的运动,这种运动叫离心运动。,、观察与思考,观察实验现象回答下列问题,(1)木块为什么会离开转盘?,(2)什么叫做离心运动?,原因：物所需的向心力 随着v的增大而增大,但提供向心力的合力为静摩擦力 Ff Ffmax,当Ffmax 时,产生离心现象。,实例研究离心现象,做匀速圆周运动的物体,由于惯性总有沿切线方向飞去的倾向,在合外力突然消失或者不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下,做逐渐远离圆心的离心运动;当合外力大于物体做圆周运动所需的向心力时,物体做离圆心越来越近的向心运动;只有当合外力等于所需的向心力时,物体才可能做匀速圆周运动。,F拉=m2r,F拉m2r

7、,F拉m2r,F拉=0,2、合外力与向心力的关系,“供“需“是否平衡决定物体做何种运动,3、离心运动的应用和防止,(1)离心运动的应用,甩干雨伞上的水滴,链球运动,在田径比赛中,链球项目就是得用离心现象来实现投掷的。链球的投掷是通过预摆和旋转来完成的,运动员手持链球链条的一端,在链球高速旋转时,突然松手,拉力消失,链就沿切线方向飞出去。,在雨天,我们可以通过旋转雨伞 的方法甩干雨伞上的水滴,旋转时,当转动快到一定的程度时,水滴和雨伞之间的附着力满足不了水滴做圆周运动所需的向心力,水滴就会做远离圆心的运动而被甩出去。,把湿布块放在离心干燥器的金属网笼里,网笼转得比较慢时,水滴跟物体的附着力 F足

8、以提供所需要的向心力,使水滴做圆周运动,当网笼转的比较快时,附着力 F 不足以提供所需要的向心力,于是水滴做离心运动,穿过网孔,飞到网笼外面。洗衣机的脱水筒也是利用离心运动把湿衣服甩干的。,离心干燥器,o,Fm2r,F,v,(2)离心运动的防止, 在水平公路上行驶的汽车转弯时,Ffmaxm,r,2,Ff,汽车,在水平公路上行驶的汽车,转弯时所需的向心力是由车轮与路面的静摩擦力提供的。如果转弯时速度过大,所需向心力F大于最大静摩擦力Ffmax,汽车将做离心运动而造成交通事故。因此,在公路弯道处,车辆行驶不允许超过规定的速度。, 高速转动的砂轮、飞轮等,高速转动的砂轮、飞轮等,都不得超过允许的最大

9、转速,如果转速过高,砂轮、飞轮内部分子间的作用力不足以提供所需的向心力时,离心运动会便它们破裂,甚至酿成事故。为了防止事故的发生,通常还要在砂轮和飞轮的外侧加装一个防护罩。,关于制作“棉花“糖的原理,它的内筒与洗衣机的脱水筒相似,里面加入白砂糖,加热使糖熔化成糖汁。内筒高速旋转,黏稠的糖汁就做离心运动,从内筒壁的小孔飞散出去,成为丝状,到达温度较低的外筒时,迅速冷却凝固,变得纤细雪白,像一团团棉花。,思考:过山车为什么在最高点也不会掉下来?,过山车,讨论,物做近心运动, 绳和内轨模型,mg,FN,v,轨道提供支持力,绳子提供拉力。,实例研究竖直面内的圆周运动,v, 杆儿和双轨模型,能过最高点的

10、临界条件:,当速度v 时, 杆儿对小球是拉力;当速度v 时, 杆儿对小球是支持力;当速度v = 时, 杆儿对小球无作用力。,mg,FN,讨论,FN=0,杆既可以提供拉力,也可以提供支持力。,FN,FN,重力、 绳的拉力,重力、杆的拉力或支持力,重力、外管壁的支持力或内管壁的支持力,竖直平面内的变速圆周运动,练习:用钢管做成半径为R=0.5m的光滑圆环(管径远小于R)竖直放置,一小球(可看作质点,直径略小于管径)质量为m=0.2kg在环内做圆周运动,求:小球通过最高点A时,下列两种情况下球对管壁的作用力。 取g=10m/s2 A的速率为1.0m/s A的速率为4.0m/s,解：,先求出杆的弹力为

11、0的速率v0,mg=mv02/l,v02=gl=5,v0=2.25 m/s,(1) v1=1m/s v0 球应受到内壁向上的支持力N1,受力如图示:,得: FN1 =1.6 N,(2) v2=4m/s v0 球应受到外壁向下的支持力N2 如图所示:,得 FN2 =4.4 N,由牛顿第三定律,球对管壁的作用力分别为:(1)对内壁1.6N向下的压力;(2)对外壁4.4N向上的压力。,练习：如图所示,质量为M的电动机始终静止于地面,其飞轮上固定一质量为m的物体,物体距轮轴为r,为使电动机不至于离开地面,其飞轮转动的角速度应如何?,解:当小物体转到最高点时,对底座,受到重力Mg和物体对底座的拉力T,为

12、使电动机不至于离开地面,必须 TMg;对物体,受到重力mg和底座对物体的拉力T。,由圆周运动规律有:mg+T = m2r,即 m2r(M+m)g,例1：如图所示，光滑圆盘中心有一个小孔，用细绳穿过小孔，两端各系一小球A B，A B等质量，盘上的小球A做半径为r=20cm的匀速圆周运动，要保持B球静止，A球的角速度多大？,解：隔离A，据 牛二律,F= m2r,隔离B， F = mg ,联立解得=,=,r=0.2,实例研究连接体问题,例2：细绳一段系一质量为M=0.6千克,的物体,静止在水平面上,另一端通过光滑小孔吊着质量m=0.3千克的物体,M的中心距圆孔0.2米,已知M与水平面间的最大静摩擦力

13、是2牛,现使此平面绕中心轴线转动,问在什么范围内m会处于静止状态,mg,解：研A即将向圆心滑动状态，据牛二律,F=,隔离B， F = mg ,r=0.2,Mg,a1,N,f,联得,研A即将背离圆心滑动状态，据牛二律,F=,隔离B， F = mg ,联得,例3：轻杆长L=1m,其两端各连接质量为1kg的小球，杆可绕距B端0.2m处的轴o在竖直面内自由转动，轻杆由水平静止转至竖直方向，A球在最低点时的速度大小为4m/s，求此时B球对杆的作用力,A,B,rA=0.8,rB=0.2,研B最高点，据牛二律,mg+FB= m2rB,解 AB在同一个物体上同一时刻相同,在B通过最高点时,FB= m2rB m

14、g,= 1520.2 110,=5牛,由题意，OB杆对B球作用力方向向上,据牛三律 B球对OB杆作用力向下，大小为5N,=,如图所示，质量为m的A B两个物体，用细绳悬着，跨过固定在圆盘中央光滑的定滑轮，物体A据转盘中心R,与转盘的最大静摩擦因数为（1），为使A相对于转盘静止，则转盘的角速度取值范围多大？,实例研究:利用程序法判定未知的临界状态,2=？,？若盘不转即=0物体A能否相对于盘静止？,8如图所示，长为2L的轻杆，两端各固定一小球，A球质量为m1，B球质量m2。过杆的中点O有一水平光滑固定轴，杆可绕轴在竖直平面内转动。当转动到竖直位置且A球在上端、B球在下端时杆的角速度为，此时杆对转轴的作用力为零，则A、B小球的质量之比为 （ ）,A 1：1,D,圆周运动特征： 质点的轨迹是圆周(圆弧)、 具有周期性,转盘,水流星,地球仪,圆锥摆,在物理学中，把质点的运动轨迹是圆或圆弧的一部分的运动叫做圆周运动。,思 考,行星和自行车胎，哪个运动得更快？我们应该如何比较它们运