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6.4生活中的圆周运动(课时1)【四大题型】
【人教版2019】
TOC\o1-3\h\u
【题型1火车转弯问题】 3
【题型2拱形桥和凹形桥问题】 6
【题型3航天器中的失重现象】 10
【题型4离心运动】 12
知识点1:火车转弯问题
1.转弯时的圆周平面:火车做圆周运动的圆周平面是水平面,火车的向心加速度和向心力均是沿水平方向指向圆心.
2.
转弯速度:设转弯处的半径为R,行驶的火车质量为m,两轨所在平面与水平面之间的夹角为θ,如图所示.
火车转弯时,重力mg和支持力FN的合力提供其所需要的向心力,即
mgtanθ=meq\f(veq\o\al(2,0),R),解得v0=eq\r(gRtanθ),在转弯处轨道确定的情况下,火车转弯时的速度应是一个确定的值v0(规定速度).
3.速度与轨道压力的关系
(1)当v=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均无挤压作用.
(2)当vv0时,外轨道对轮缘有侧压力.
(3)当vv0时,内轨道对轮缘有侧压力.
4.汽车、摩托车赛道拐弯处,高速公路转弯处设计成外高内低,也是尽量使车受到的重力和支持力的合力提供向心力.
知识点2:汽车过桥问题
1.分析汽车过桥这类问题时应把握以下两点:
(1)汽车在拱桥上的运动是竖直面内的圆周运动.
(2)向心力来源(最高点和最低点):汽车做圆周运动,重力和桥面的支持力的合力提供向心力.
2.汽车驶至凹形桥面的底部时,加速度向上,合力向上,此时满足FN-mg=meq\f(v2,R),FN=mg+meq\f(v2,R)mg,车对桥面压力最大.
3.当车驶至凸形桥面的顶部时,加速度向下,合力向下,此时满足mg-FN=meq\f(v2,R),FN=mg-meq\f(v2,R)mg,车对桥面的压力最小.
知识点3:对离心运动的理解
1.离心运动的实质
离心运动实质是物体惯性的表现.做圆周运动的物体,总有沿着圆周切线飞出去的趋向,之所以没有飞出去,是因为受到向心力的作用.从某种意义上说,向心力的作用是不断地把物体从圆周运动的切线方向拉到圆周上来.一旦作为向心力的合外力突然消失或不足以提供向心力,物体就会发生离心运动.
2.合外力与向心力的关系如图所示
(1)若F合=mrω2或F合=meq\f(v2,r),物体做匀速圆周运动,即“提供”满足“需要”.
(2)若F合mrω2或F合eq\f(mv2,r),物体做半径变小的近心运动,即“提供”大于“需要”.
(3)若F合mrω2或F合eq\f(mv2,r),则外力不足以将物体拉回到原圆周轨道上,物体逐渐远离圆心而做离心运动,即“需要”大于“提供”或“提供不足”.
(4)若F合=0,则物体沿切线方向飞出,做匀速直线运动.
【题型1火车转弯问题】
【例1】铁路在弯道处的内外轨高低是不同的。如图所示,已知轨道平面的倾角为,弯道处的轨道圆弧半径为R,火车以轨道的设计速度行驶时,车轮轮缘与内外轨恰好没有挤压。质量为m的火车转弯时,下列说法正确的是()
A.轨道的设计速度为
B.轨道的设计速度为
C.火车实际速度大于设计速度时,内轨与轮缘之间有挤压
D.火车实际速度大于设计速度时,铁轨对火车的作用力等于
【答案】A
【详解】AB.火车以某一速度v通过某弯道时,内、外轨道均不受侧压力作用,其所受的重力和支持力的合力提供向心力
由图可以得出
(为轨道平面与水平面的夹角),
合力等于向心力,故
解得:
故A正确,B错误;
C.当转弯的实际速度大于规定速度时,火车所受的重力和支持力的合力不足以提供所需的向心力,火车有离心趋势,故其外侧车轮轮缘会与铁轨外轨相互挤压,故C错误;
D.根据几何关系可知当火车为设计速度时,铁轨对火车的作用力等于,火车实际速度大于设计速度时,铁轨对火车的作用力不等于,故D错误。
故选A。
【变式1-1】(多)公路急转弯处通常是交通事故多发地带.如图所示,某公路急转弯处是一圆弧,当汽车行驶的速率为vc时,汽车恰好没有向公路内外两侧滑动的趋势,则在该弯道处
A.路面外侧高内侧低
B.车速只要低于vc,车辆便会向内侧滑动
C.车速虽然高于vc,但只要不超出某一最高限度,车辆便不会向外侧滑动
D.当路面结冰时,与未结冰时相比,vc的值变小
【答案】AC
【详解】试题分析:路面应建成外高内低,此时重力和支持力的合力指向内侧,可以提供圆周运动向心力,故A正确.车速低于v0,所需的向心力减小,此时摩擦力可以指向外侧,减小提供的力,车辆不会向内侧滑动.故B错误.当速度为v0时,静摩擦力为零,靠重力和支持力的合力提供向心力,速度高于v0时,摩擦力指向内侧,只有速度不超出最高限度,车辆不会侧滑.故C正确.当路面结冰时,与未结冰时相比,由
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