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6.4生活中的圆周运动
【学习目标】
(1)知道什么是向心力,理解它是一种效果力。
(2)理解向心力公式的确切含义,并能用来进行简单的计算。
(3)知道变速圆周运动中向心力是合外力的一个分力,知道合外力的作用效果。
【学习重难点】
明确向心力的意义、作用、公式及其变形。
一、eq\a\vs4\al(铁路的弯道)
1.火车在弯道上的运动特点
(1)火车在弯道上运动时做圆周运动,因而具有向心加速度,由于其质量巨大,需要很大的向心力。
(2)火车转弯处的铁轨,虽然外轨高于内轨,但整个外轨是等高的,整个内轨是等高的。因而火车在行驶的过程中,中心的高度不变,即火车中心的轨迹在同一水平面内。故火车的圆周平面是水平面,而不是斜面。即火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。
2.向心力来源
(1)若转弯时内外轨一样高,则由外轨对轮缘的弹力提供向心力,这样铁轨和车轮极易受损。
(2)若内外轨有高度差,依据规定的行驶速度行驶,转弯时向心力几乎完全由重力和支持力的合力提供。
拱形桥
(3)受力特点:在实际的火车转弯处,外轨高于内轨,火车所受支持力的方向斜向上,其竖直分力可以与重力平衡,其水平分力可以提供向心力,或者说火车所受支持力与重力的合力可以提供向心力。
3.速度与轨道压力的关系
(1)当火车行驶速度v等于规定速度v0时,所需向心力仅由重力和弹力的合力提供,此时内外轨道对火车无挤压作用。
(2)当火车行驶速度vv0时,外轨道对轮缘有侧压力。
(3)当火车行驶速度vv0时,内轨道对轮缘有侧压力。
4.合外力的方向:火车转弯时,火车所受合外力沿水平方向指向圆心,而不是沿轨道斜面向下。因为火车转弯的圆周平面是水平面,不是斜面,所以火车的向心力即合外力应沿水平面指向圆心。
5.规定速度的唯一性:火车轨道转弯处的规定速率一旦确定则是唯一的,火车只有按规定的速率转弯,内外轨才不受火车的挤压作用。速率过大时,由重力、支持力及外轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力;速率过小时,由重力、支持力及内轨对轮缘的挤压力的合力提供向心力。
二、关于汽车过桥问题,用图表概括如下
内容项目
汽车过凸形桥
汽车过凹形桥
受力分析
规定向心力方向为正方向
牛顿第三定律
讨论
v增大,F压减小;当v增大到eq\r(rg)时,F压=0
v增大,F压增大
1.汽车过凸形桥时
在最高点满足mg-FN=meq\f(v2,R),
即FN=mg-eq\f(mv2,R)。
(1)当0≤v<eq\r(gR)时,0<FN≤mg。
(2)当v=eq\r(gR)时,FN=0。
(3)当v>eq\r(gR)时,汽车会脱离桥面,做平抛运动,发生危险。
2.汽车过凹形桥时
在最低点满足FN-mg=eq\f(mv2,R),即FN=mg+eq\f(mv2,R)。
车速v越大,压力越大。
三、航天器中的失重现象
1.向心力分析
宇航员受到的地球引力与座舱对他的支持力的合力为他提供向心力,
支持力分析
3.讨论:当时,座舱对宇航员的支持力FN=0,宇航员处于完全失重状态。
四、离心运动
1.定义:物体沿切线飞出或做逐渐远离圆心的运动。
2.原因:向心力突然向心力或合外力不足以提供所需向心力。
3.应用:洗衣机的脱水筒,制作无缝钢管、水泥管道等。
4.防止:汽车转弯时要限速;转速很高的砂轮,其飞轮半径不宜太大。
5.离心运动、近心运动的判断
物体做圆周运动是离心运动还是近心运动,由实际提供的向心力Fn与所需向心力eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(m\f(v2,r)或mrω2))的大小关系决定。
(1)若Fn=mrω2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(或Fn=\f(mv2,r))),物体做匀速圆周运动,即“提供”满足“需要”。
(2)若Fnmrω2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(或Fn\f(mv2,r))),物体做半径变小的近心运动,即“提供过度”,也就是“提供”大于“需要”。
(3)若Fnmrω2eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(或Fn\f(mv2,r))),则外力不足以将物体拉回到原轨道上,而做离心运动,即“需要”大于“提供”或“提供不足”。
(4)若Fn=0,则物体做直线运动。
1.判断下列说法的正误.
(1)铁路的弯道处,内轨高于外轨.(×)
(2)汽车驶过拱形桥顶部时,对桥面的压力等于车重.(×)
(3)汽车行驶至凹形桥底部时,对桥面的压力大于车重.(√)
(4)绕地球做匀速圆周运动的航天器中的航天员处于完全失重状态,故不再受重力.(×)
(5)做离心运动的物体可以沿半径方向向外运动.(×)
2.如图所示,汽车在通过水平弯道时,轮胎与地面间的摩擦力已达到
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