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2011届高考物理单元总复习课件18

第四单元 圆周运动在实际问题中的应用 由于火车的质量比较大,火车拐弯时所需的向心力就很大.如果铁轨内外侧一样高,则外侧所受的压力很大,容易损坏;实用中使 略高于 ,从而 和 的合力提供火车拐弯时所需的向心力. 在平直轨道上匀速行驶的火车,所受合外力为零,在火车转弯时,什么力提供向心力呢?在火车转弯处,让外轨高于内轨,如图1所示,转弯时所需向心力由重力和弹力的合力提供.若轨道水平,转弯时所需向心力应由外轨对车轮的挤压力提供,而这样对车轨会造成损坏.车速大时,容易出事故. 由于铁轨建成后h、L、R各量是确定的,故火车转弯时的车速应是一个定值,否则将对铁轨有不利影响,如: 2.静摩擦力作用下的圆周运动 静摩擦力的特点是根据物体运动改变大小,变换方向.有人把静摩擦力的这一特点称为“适应性”.由于静摩擦力这一特点的存在导致在许多问题中出现了临界问题. 处理这类问题的关键是分析出静摩擦力的变化,从而结合其他力分析出向心力的变化,以确定圆周运动的其他物理量的变化范围. 对于物体在竖直面内做的圆周运动是一种典型的变速曲线运动,该类运动常有临界问题,并伴有“最大”、“最小”、“刚好”等词语,常分析两种模型——轻绳模型和轻杆模型,分析比较如下: 汽车过桥问题 当汽车以相同的速率分别行驶在凸形桥的最高点和凹形桥的最低点时,汽车对桥的压力的区别如下表所示. 【例1】 有一列重为100 t的火车,以72 km/h的速率匀速通过一个内外轨一样高的弯道,轨道半径400 m. (1)试计算铁轨受到的侧压力的大小. (2)若要使火车以此速率通过弯道,且使铁轨受到的侧压力为零,我们可以适当倾斜路基,试计算路基倾斜角度θ的大小.(用反三角函数表示) 答案:(1)105 N (2)arctan0.1 高分通道 火车转弯时,如果内外轨一样高,只能由外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需的向心力.实际修建铁路时一般将弯道建在倾斜的路基上,使火车的内外轨有一定的高度差,利用重力和铁轨对物体的支持力的合力提供部分向心力,以避免铁轨的损坏. ?变式1:在一宽阔的马路上,司机驾驶着汽车匀速行驶,突然发现前方有一条很宽很长的河,试分析说明他是紧急刹车好还是转弯好?(设汽车转弯时做匀速圆周运动,最大静摩擦力与滑动摩擦力相等). 答案:刹车较好 【例2】 长度为L=0.50 m的轻质细杆OA,A端有一质量为m=3.0 kg的小球,如图2所示,小球以O点为圆心在竖直平面内做圆周运动,通过最高点时小球的速率是2.0 m/s,g取10 m/s2,则此时细杆OA受到 (  ) A.6.0 N的拉力 B.6.0 N的压力 C.24 N的拉力 D.24 N的压力 答案:B 高分通道 杆连物体在竖直平面内做圆周运动到达最高点的最小速度为0,而绳的最小速度则为,应用时要分清条件. ?变式2:绳系着装有水的水桶,在竖直平面内做圆周运动,水的质量m=0.5 kg,绳长L=60 cm,求: (1)最高点水不流出的最小速率(保留3位有效数字); (2)水在最高点速率v=3 m/s时,水对桶底的压力. 答案:(1)2.42 m/s (2)2.6 N,方向竖直向上 【例3】 如图4所示,质量为m的小球在半径为R、质量为M的竖直光滑圆轨道内做圆周运动.要使M不离开地面,m在最高点的速度不能超过多大? 高分通道 此类问题的求解思路为: (1)先以圆周运动的物体为研究对象,分析并列出向心力方程.特别要关注哪个力是要求的那个物体提供的. (2)分析连接体的状态需要、受力特点、力的大小、方向是否可变,变化的范围是什么?变化的临界值是多少等. (3)根据牛顿第三定律,将连接体的这些临界值代入到做圆周运动的物体的方程中,联立求解. ?变式3:如图5所示,质量M=0.64 kg的物体置于可绕竖直轴匀速转动的平台上,M用细绳通过光滑的定滑轮与质量为m=0.3 kg的物体相连.假定M与轴O的距离r=0.2 m,与平台的最大静摩擦力为2 N.为使m保持静止状态,水平转台做圆周运动的角速度ω应在什么范围?(g=10 m/s2) 解析:m保持静止状态时,M做圆周运动的半径不变,M的向心力由绳的拉力和静摩擦力的合力提供,由于静摩擦力的大小、方向不定,所以存在临界问题. 当ω最小时,M受到的最大静摩擦力的方向与拉力的方向相反,则有mg-Ffm=Mωr 代入数据得ω1=2.80 rad/s 当ω增大时,静摩擦力减小,当ω′=4.84 rad/s时,静摩擦力为零. 当ω继续增大时,M受到的静摩擦力方向反向,与拉力方向相同,静摩擦力与拉力的合力提供做圆周运动的向心力. 当ω最大时有mg+Ffm=Mωr 代入数据得ω2=6.25 rad/

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