5.7 生活中的圓周運(yùn)動(dòng) 學(xué)案(人教版必修2)
1.火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)實(shí)際是在做圓周運(yùn)動(dòng),因而具有____________,需要__________.
如果轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)外軌一樣高,則由____________________提供向心力,這樣,鐵軌和車(chē)輪
易受損.
如果轉(zhuǎn)彎處外軌略高于內(nèi)軌,火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)鐵軌對(duì)火車(chē)的支持力不再是豎直向上的,而是
________________,它與重力的合力指向________,為火車(chē)提供了一部分向心力,減輕
了輪緣與外軌的擠壓.適當(dāng)設(shè)計(jì)內(nèi)外軌的高度差,使火車(chē)以規(guī)定的速度行駛時(shí),轉(zhuǎn)彎需
要的向心力幾乎完全由________________________提供.
2.當(dāng)汽車(chē)以相同的速率分別行駛在凸形橋的最高點(diǎn)和凹形橋的最低點(diǎn)時(shí),汽車(chē)對(duì)橋的壓
力的區(qū)別如下表所示.
內(nèi)容
項(xiàng)目凸形橋凹形橋
受力分析圖
以a方向?yàn)?br />正方向,根據(jù)
牛頓第二定
律列方程mg-FN1=mv2r
FN1=mg-mv2r
FN2-mg=mv2r
FN2=mg+mv2r
牛頓第三定律FN1′=FN1
=mg-mv2r
FN2′=FN2
=mg+mv2r
討論v增大,F(xiàn)N1′減小;當(dāng)v增大到gr時(shí),F(xiàn)N1′=0v增大,F(xiàn)N2′增大,只要v≠0,F(xiàn)N1′<FN2′
由列表比較可知,汽車(chē)在凹形橋上行駛對(duì)橋面及輪胎損害大,但在凸形橋上,最高點(diǎn)速
率不能超過(guò)________.當(dāng)汽車(chē)以v≥gr的速率行駛時(shí),將做__________,不再落到橋面
上.
3.(1)航天器中的物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力由__________提供.
(2)當(dāng)航天器的速度____________時(shí),航天器所受的支持力FN=0,此時(shí)航天器及其內(nèi)部
的物體處于__________狀態(tài).
4.(1)離心現(xiàn)象:如果一個(gè)正在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中向心力突然消失或
合力不足以提供所需的向心力時(shí),物體就會(huì)沿切線方向飛出或________圓心運(yùn)動(dòng),這就
是離心現(xiàn)象.離心現(xiàn)象并非受“離心力”作用的運(yùn)動(dòng).
(2)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體所受的合外力F合指向圓心,且F合=mv2r,物體做穩(wěn)定的
________________;所受的合外力F合突然增大,即F合>mv2/r時(shí),物體就會(huì)向內(nèi)側(cè)移動(dòng),
做________運(yùn)動(dòng);所受的合外力F合突然減小,即F合<mv2/r時(shí),物體就會(huì)向外側(cè)移動(dòng),
做________運(yùn)動(dòng),所受的合外力F合=0時(shí),物體做離心運(yùn)動(dòng),沿切線方向飛出.
5.勻速圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)、向心運(yùn)動(dòng)比較:
勻速圓周運(yùn)動(dòng)離心運(yùn)動(dòng)向心運(yùn)動(dòng)
受力
特點(diǎn)________等于做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力合外力__________或者_(dá)_______提供圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力合外力________做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力
圖示
力學(xué)
方程F____mrω2F____mrω2
(或F=0)F____mrω2
【概念規(guī)律練】
知識(shí)點(diǎn)一 火車(chē)轉(zhuǎn)彎問(wèn)題
1.在某轉(zhuǎn)彎處,規(guī)定火車(chē)行駛的速率為v0,則下列說(shuō)法中正確的是( )
A.當(dāng)火車(chē)以速率v0行駛時(shí),火車(chē)的重力與支持力的合力方向一定沿水平方向
B.當(dāng)火車(chē)的速率v>v0時(shí),火車(chē)對(duì)外軌有向外的側(cè)向壓力
C.當(dāng)火車(chē)的速率v>v0時(shí),火車(chē)對(duì)內(nèi)軌有向內(nèi)的擠壓力
D.當(dāng)火車(chē)的速率v<v0時(shí),火車(chē)對(duì)內(nèi)軌有向內(nèi)側(cè)的壓力
2.修鐵路時(shí),兩軌間距是1 435 mm,某處鐵路轉(zhuǎn)彎的半徑是300 m,若規(guī)定火車(chē)通過(guò)
這里的速度是72 km/h.請(qǐng)你運(yùn)用學(xué)過(guò)的知識(shí)計(jì)算一下,要想使內(nèi)外軌均不受輪緣的擠壓,
內(nèi)外軌的高度差應(yīng)是多大?
知識(shí)點(diǎn)二 汽車(chē)過(guò)橋問(wèn)題
3.汽車(chē)駛向一凸形橋,為了在通過(guò)橋頂時(shí),減小汽車(chē)對(duì)橋的壓力,司機(jī)應(yīng)( )
A.以盡可能小的速度通過(guò)橋頂
B.適當(dāng)增大速度通過(guò)橋頂
C.以任何速度勻速通過(guò)橋頂
D.使通過(guò)橋頂?shù)南蛐募铀俣缺M可能小
4.如圖1所示,
圖1
質(zhì)量m=2.0×104 kg的汽車(chē)以不變的速率先后駛過(guò)凹形橋面和凸形橋面,兩橋面的圓弧
半徑均為20 m.如果橋面承受的壓力不得超過(guò)3.0×105 N,則:
(1)汽車(chē)允許的最大速率是多少?
(2)若以所求速度行駛,汽車(chē)對(duì)橋面的最小壓力是多少?(g取10 m/s2)
知識(shí)點(diǎn)三 圓周運(yùn)動(dòng)中的超重、失重現(xiàn)象
5.在下面所介紹的各種情況中,哪種情況將出現(xiàn)超重現(xiàn)象( )
①小孩蕩秋千經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)、谄(chē)過(guò)凸形橋、燮(chē)過(guò)凹形橋、茉诶@地球做勻速圓周
運(yùn)動(dòng)的飛船中的儀器
A.①② B.①③ C.①④ D.③④
知識(shí)點(diǎn)四 離心運(yùn)動(dòng)
6.下列關(guān)于離心現(xiàn)象的說(shuō)法正確的是( )
A.當(dāng)物體所受的離心力大于向心力時(shí)產(chǎn)生離心現(xiàn)象
B.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,當(dāng)它所受的一切力都突然消失后,物體將做背離圓心的圓
周運(yùn)動(dòng)
C.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,當(dāng)它所受的一切力都突然消失后,物體將沿切線方向做勻
速直線運(yùn)動(dòng)
D.做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,當(dāng)它所受的一切力都突然消失后,物體將做曲線運(yùn)動(dòng)
7.
圖2
如圖2所示,光滑水平面上,小球m在拉力F作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),若小球運(yùn)動(dòng)到P
點(diǎn)時(shí),拉力F發(fā)生變化,下列關(guān)于小球運(yùn)動(dòng)情況的說(shuō)法正確的是( )
A.若拉力突然消失,小球?qū)⒀剀壽EPa做離心運(yùn)動(dòng)
B.若拉力突然變小,小球?qū)⒀剀壽EPa做離心運(yùn)動(dòng)
C.若拉力突然變小,小球?qū)⒖赡苎剀壽EPb做離心運(yùn)動(dòng)
D.若拉力突然變大,小球?qū)⒖赡苎剀壽EPc做向心運(yùn)動(dòng)
【方法技巧練】
豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的分析方法
8.如圖3所示,
圖3
小球m在豎直放置的光滑圓形管道內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),下列說(shuō)法中正確的是( )
A.小球通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的最小速度是v=gR
B.小球通過(guò)最高點(diǎn)時(shí)的最小速度為0
C.小球在水平線ab以下的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)側(cè)管壁對(duì)小球一定無(wú)作用力
D.小球在水平線ab以上的管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)外側(cè)管壁對(duì)小球一定無(wú)作用力
圖4
9.雜技演員在做“水流星”表演時(shí),用一根細(xì)繩系著盛水的杯子,掄起繩子,讓杯子在
豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng).如圖4所示,杯內(nèi)水的質(zhì)量m=0.5 kg,繩長(zhǎng)l=60 cm.求:
(1)在最高點(diǎn)水不流出的最小速率.
(2)水在最高點(diǎn)速率v=3 m/s時(shí),水對(duì)杯底的壓力大。
參考答案
前預(yù)習(xí)練
1.向心加速度 向心力 外軌對(duì)輪緣的彈力 斜向彎道的內(nèi)側(cè) 圓心 重力G和支持力FN的合力
2.gr 平拋運(yùn)動(dòng)
3.(1)萬(wàn)有引力 (2)等于gR 完全失重
4.(1)遠(yuǎn)離 (2)勻速圓周運(yùn)動(dòng) 向心 離心
5.合外力 突然消失 不足以 大于 = < >
堂探究練
1.ABD
2.0.195 m
解析 火車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力由火車(chē)所受的重力和軌道對(duì)火車(chē)支持力的合力提供的,如圖所示,圖中h為兩軌高度差,d為兩軌間距,mgtan α=mv2r,tan α=v2gr,又由于軌道平面和水平面間的夾角一般較小,可近似認(rèn)為:tan α≈sin α=hd.
因此:hd=v2gr,則h=v2dgr=202×1.4359.8×300 m=0.195 m.
點(diǎn)評(píng) 近似計(jì)算是本題的關(guān)鍵一步,即當(dāng)角度很小時(shí):sin α≈tan α.
3.B
4.(1)10 m/s (2)105 N
解析 (1)汽車(chē)在凹形橋底部時(shí)對(duì)橋面壓力最大,由牛頓第二定律得:
FN-mg=mv2maxr.
代入數(shù)據(jù)解得vmax=10 m/s.
(2)汽車(chē)在凸形橋頂部時(shí)對(duì)橋面壓力最小,由牛頓第二定律得:
mg-FN′=mv2r.
代入數(shù)據(jù)解得FN′=105 N.
由牛頓第三定律知汽車(chē)對(duì)橋面的最小壓力等于105 N.
點(diǎn)評(píng) (1)汽車(chē)行駛時(shí),在凹形橋最低點(diǎn),加速度方向豎直向上,汽車(chē)處于超重狀態(tài),故對(duì)橋面的壓力大于重力;在凸形橋最高點(diǎn),加速度方向豎直向下,處于失重狀態(tài),故對(duì)橋面的壓力小于重力.
(2)汽車(chē)在拱形橋的最高點(diǎn)對(duì)橋面的壓力小于或等于汽車(chē)的重力.
①當(dāng)v=gR時(shí),F(xiàn)N=0.
②當(dāng)v>gR時(shí),汽車(chē)會(huì)脫離橋面,發(fā)生危險(xiǎn).
③當(dāng)0≤v<gR時(shí),0<FN≤mg.
5.B [物體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),受重力和拉力(支持力)的作用,若向心加速度向下,則mg-FN=mv2R,有FN<mg,物體處于失重狀態(tài);若向心加速度向上,則FN-mg=mv2R,有FN>mg,物體處于超重狀態(tài);若mg=mv2R,則FN=0.]
點(diǎn)評(píng) 物體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),在最高點(diǎn)處于失重狀態(tài);在最低點(diǎn)處于超重狀態(tài).
6.C [物體之所以產(chǎn)生離心現(xiàn)象是由于F合=F向<mω2r,并不是因?yàn)槲矬w受到離心力的作用,故A錯(cuò);物體在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),若它所受到的力突然都消失,根據(jù)牛頓第一定律,它從這時(shí)起做勻速直線運(yùn)動(dòng),故C正確,B、D錯(cuò).]
7.ACD [由F=mv2r知,拉力變小,F(xiàn)不能提供所需向心力、r變大、小球做離心運(yùn)動(dòng);反之,F(xiàn)變大,小球做向心運(yùn)動(dòng).]
8.BC [小球沿管道做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由重力及管道對(duì)小球的支持力的合力沿半徑方向的分力提供.由于管道的內(nèi)、外壁都可以提供支持力,因此過(guò)最高點(diǎn)的最小速度為0,A錯(cuò)誤,B正確;小球在水平線ab以下受外側(cè)管壁指向圓心的支持力作用,C正確;在ab線以上是否受外側(cè)管壁的作用力由速度大小決定,D錯(cuò)誤.]
9.(1)2.42 m/s (2)2.6 N
解析 (1)在最高點(diǎn)水不流出的條是水的重力不大于水做圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力,即mg≤mv2l,則所求最小速率v0=lg=0.6×9.8 m/s=2.42 m/s.
(2)當(dāng)水在最高點(diǎn)的速率大于v0時(shí),只靠重力已不足以提供向心力,此時(shí)水杯底對(duì)水有一豎直向下的力,設(shè)為FN,由牛頓第二定律有FN+mg=mv2l
即FN=mv2l-mg=2.6 N
由牛頓第三定律知,水對(duì)杯底的作用力FN′=FN=2.6 N,方向豎直向上.
方法總結(jié) 對(duì)于豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng),在最高點(diǎn)的速度v=gR往往是臨界速度,若速度大于此臨界速度,則重力不足以提供所需向心力,不足的部分由向下的壓力或拉力提供;若速度小于此臨界速度,側(cè)重力大于所需向心力,要保證物體不脫離該圓周,物體必須受到一個(gè)向上的力.
本文來(lái)自:逍遙右腦記憶 http://m.yy-art.cn/gaoyi/50441.html
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