《2022-2023學(xué)年高中物理 第二章 勻速圓周運動 3 圓周運動的實例分析 4 圓周運動與人類文明(選學(xué))學(xué)案 教科版必修2》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2022-2023學(xué)年高中物理 第二章 勻速圓周運動 3 圓周運動的實例分析 4 圓周運動與人類文明(選學(xué))學(xué)案 教科版必修2（20頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022-2023學(xué)年高中物理 第二章 勻速圓周運動 3 圓周運動的實例分析 4 圓周運動與人類文明(選學(xué))學(xué)案 教科版必修2學(xué)習(xí)目標1.會分析具體圓周運動問題中向心力的來源，能解決生活中的圓周運動問題.2.了解離心運動及物體做離心運動的條件，知道離心運動的應(yīng)用及危害.3.列舉實例，了解圓周運動在人類文明進程中的廣泛應(yīng)用，認識到圓周運動對人類文明發(fā)展的重大影響一、汽車過拱形橋1.受力分析(如圖1)圖12向心力：FmgNm.3對橋的壓力：Nmg.4結(jié)論：汽車對橋的壓力小于汽車的重力，而且汽車速度越大，對橋的壓力越小二、“旋轉(zhuǎn)秋千”圓錐擺1物理模型：細線下面懸掛一個鋼球，使鋼球在某個水平面內(nèi)做勻速

2、圓周運動，懸線旋轉(zhuǎn)形成一個圓錐面，這種裝置叫圓錐擺2.向心力來源：由重力和懸線拉力的合力提供(如圖2)圖2由F合mgtan m2r，rlsin 得：周期T2.3結(jié)論：懸線與中心軸的夾角跟“旋轉(zhuǎn)秋千”的角速度和懸線長有關(guān)，與所乘坐人的體重?zé)o關(guān)在懸線長一定的情況下，角速度越大則懸線與中心軸的夾角也越大(小于90)三、火車轉(zhuǎn)彎1運動特點：火車轉(zhuǎn)彎時實際是在做圓周運動，因而具有向心加速度，由于其質(zhì)量巨大，所以需要很大的向心力2向心力來源(1)若轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外軌一樣高，則由外軌對輪緣的彈力提供向心力，這樣鐵軌和車輪極易受損(2)內(nèi)外軌有高度差，依據(jù)規(guī)定的行駛速度行駛，轉(zhuǎn)彎時向心力幾乎完全由重力G和支持力N的

3、合力提供四、離心運動1定義：在做圓周運動時，由于合外力提供的向心力消失或不足，以致物體沿圓周運動的切線方向飛出或遠離圓心而去的運動叫做離心運動2離心機械：利用離心運動的機械叫做離心機械常見的離心機械有洗衣機的脫水筒、離心機1判斷下列說法的正誤(1)汽車行駛經(jīng)過凸形橋頂部時，對橋面的壓力等于車重()(2)汽車行駛經(jīng)過凹形橋底部時，對橋面的壓力大于車重()(3)鐵路的彎道處，內(nèi)軌高于外軌()(4)火車駛過彎道時，火車對軌道一定沒有側(cè)向壓力()(5)做離心運動的物體可以沿半徑方向運動()2.飛機由俯沖轉(zhuǎn)為拉起的一段軌跡可看成一段圓弧，如圖3所示，飛機做俯沖拉起運動時，在最低點附近做半徑為r180 m

4、的圓周運動，如果飛行員質(zhì)量m70 kg，飛機經(jīng)過最低點P時的速度v360 km/h，則這時飛行員對座椅的壓力大小為_(g取10 m/s2)圖3答案4 589 N解析飛機經(jīng)過最低點時，v360 km/h100 m/s.對飛行員進行受力分析，飛行員在豎直面內(nèi)共受到重力G和座椅的支持力N兩個力的作用，根據(jù)牛頓第二定律得Nmgm，所以Nmgm7010 N70 N4 589 N，由牛頓第三定律得，飛行員對座椅的壓力為4 589 N.一、汽車過拱形橋如圖4甲、乙為汽車在凸形橋、凹形橋上行駛的示意圖，汽車行駛時可以看做圓周運動圖4(1)如圖甲，汽車行駛到拱形橋的橋頂時：什么力提供向心力？汽車對橋面的壓力有什

5、么特點？汽車對橋面的壓力與車速有什么關(guān)系？汽車安全通過拱橋頂(不脫離橋面)行駛的最大速度是多大？(2)如圖乙當(dāng)汽車行駛到凹形橋的最底端時，什么力提供向心力？汽車對橋面的壓力有什么特點？答案(1)當(dāng)汽車行駛到凸形橋的橋頂時，重力與支持力的合力提供向心力，即mgNm；此時汽車對橋面的壓力Nmgm，即汽車對橋面的壓力小于汽車的重力，汽車處于失重狀態(tài)由Nmgm可知，當(dāng)汽車的速度增大時，汽車對橋面的壓力減小，當(dāng)汽車對橋面的壓力為零時，汽車的重力提供向心力，此時汽車的速度達到最大，由mgm，得vm，如果汽車的速度超過此速度，汽車將離開橋面(2)當(dāng)汽車行駛到凹形橋的最底端時，重力與支持力的合力提供向心力，即

6、Nmgm；此時汽車對橋面的壓力Nmgm，即汽車對橋面的壓力大于汽車的重力，汽車處于超重狀態(tài)，并且汽車的速度越大，汽車對橋面的壓力越大1汽車過拱形橋(如圖5)圖5汽車在最高點滿足關(guān)系：mgNm，即Nmgm.(1)當(dāng)0v時，0Nmg.(2)當(dāng)v時，N0，汽車將脫離橋面做平拋運動，發(fā)生危險2汽車過凹形橋(如圖6)圖6汽車在最低點滿足關(guān)系：Nmg，即Nmg.由此可知，汽車對橋面的壓力大于其自身重力，故凹形橋易被壓垮，因而實際中拱形橋多于凹形橋例1如圖7所示，質(zhì)量m2.0104 kg的汽車以不變的速率先后駛過凹形橋面和凸形橋面，兩橋面的圓弧半徑均為60 m，如果橋面承受的壓力不超過3.0105 N，則：

7、(g取10 m/s2)圖7(1)汽車允許的最大速率是多少？(2)若以所求速率行駛，汽車對橋面的最小壓力是多少？答案(1)10 m/s(2)1.0105 N解析對汽車受力分析如圖，汽車駛至凹形橋面的底部時，合力向上，車對橋面壓力最大；汽車駛至凸形橋面的頂部時，合力向下，車對橋面的壓力最小(1)汽車在凹形橋的底部時，由牛頓第三定律可知，橋面對汽車的支持力N13.0105 N，根據(jù)牛頓第二定律N1mgm，即v10 m/s由于vv0時，輪緣受哪個軌道的壓力？當(dāng)火車行駛速度vv0時，重力和支持力的合力提供的向心力不足，此時外側(cè)軌道對輪緣有向里的側(cè)向壓力；當(dāng)火車行駛速度vv0時，外軌道對輪緣有側(cè)壓力(3)

8、當(dāng)火車行駛速度vmr2或F合，物體做半徑變小的近心運動，即“提供過度”，也就是“提供”大于“需要”若F合mr2或F合，則外力不足以將物體拉回到原軌道上，而做離心運動，即“需要”大于“提供”或“提供不足”若F合0，則物體做直線運動例4如圖14所示是摩托車比賽轉(zhuǎn)彎時的情形，轉(zhuǎn)彎處路面常是外高內(nèi)低，摩托車轉(zhuǎn)彎有一個最大安全速度，若超過此速度，摩托車將發(fā)生滑動關(guān)于摩托車滑動的問題，下列論述正確的是()圖14A摩托車一直受到沿半徑方向向外的離心力作用B摩托車所受外力的合力小于所需的向心力C摩托車將沿其線速度的方向沿直線滑去D摩托車將沿其半徑方向沿直線滑去答案B解析摩托車只受重力、地面支持力和地面的摩擦力

9、作用，沒有離心力，A項錯誤；摩托車正常轉(zhuǎn)彎時可看成勻速圓周運動，所受的合力等于向心力，如果向外滑動，說明提供的向心力即合力小于需要的向心力，B項正確；摩托車將在沿線速度方向與半徑向外的方向之間做離心曲線運動，C、D項錯誤1(火車轉(zhuǎn)彎問題)(多選)全國鐵路大面積提速，給人們的生活帶來便利火車轉(zhuǎn)彎可以看成是在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，火車速度提高會使外軌受損為解決火車高速轉(zhuǎn)彎時外軌受損這一難題，以下措施可行的是()A適當(dāng)減小內(nèi)外軌的高度差B適當(dāng)增加內(nèi)外軌的高度差C適當(dāng)減小彎道半徑D適當(dāng)增大彎道半徑答案BD解析設(shè)火車軌道平面的傾角為時，火車轉(zhuǎn)彎時內(nèi)、外軌均不受損，根據(jù)牛頓第二定律有mgtan m，解得

10、v，所以，為解決火車高速轉(zhuǎn)彎時外軌受損這一難題，可行的措施是適當(dāng)增大傾角(即適當(dāng)增加內(nèi)外軌的高度差)和適當(dāng)增大彎道半徑r.【考點】交通工具的轉(zhuǎn)彎問題【題點】傾斜面內(nèi)的轉(zhuǎn)彎問題2.(汽車過拱形橋)在較大的平直木板上相隔一定距離釘幾個釘子，將三合板彎曲成拱橋形卡入釘子內(nèi)形成拱形橋，三合板上表面事先鋪上一層牛仔布以增大摩擦，這樣玩具慣性車就可以在橋面上跑起來了把這套系統(tǒng)放在電子秤上做實驗，如圖15所示，關(guān)于實驗中電子秤的示數(shù)下列說法正確的是()圖15A玩具車靜止在拱橋頂端時的示數(shù)小一些B玩具車運動通過拱橋頂端時的示數(shù)大一些C玩具車運動通過拱橋頂端時處于超重狀態(tài)D玩具車運動通過拱橋頂端時速度越大(未離

11、開拱橋)，示數(shù)越小答案D解析玩具車運動到最高點時，受向下的重力和向上的支持力作用，根據(jù)牛頓第二定律有mgNm，即Nmgmm)，它們與圓盤之間的最大靜摩擦力均為正壓力的倍，兩物體用一根長為L(LL2CL1L2，B正確【考點】豎直面內(nèi)的圓周運動分析【題點】汽車過橋問題考點三離心運動6.(多選)如圖4所示，在勻速轉(zhuǎn)動的洗衣機脫水筒內(nèi)壁上，有一件濕衣服隨圓筒一起轉(zhuǎn)動而未滑動，則()圖4A衣服隨脫水筒做圓周運動的向心力由衣服的重力提供B水會從脫水筒甩出是因為水滴受到的向心力很大C加快脫水筒轉(zhuǎn)動角速度，衣服對筒壁的壓力也增大D加快脫水筒轉(zhuǎn)動角速度，脫水效果會更好答案CD解析衣服受到豎直向下的重力、豎直向上

12、的靜摩擦力、指向圓心的支持力，重力和靜摩擦力是一對平衡力，大小相等，向心力是由支持力提供的，A錯誤；脫水筒轉(zhuǎn)動角速度增大以后，支持力增大，衣服對筒壁的壓力也增大，C正確；對于水而言，衣服對水滴的附著力提供其做圓周運動的向心力，說水滴受向心力本身就不正確，B錯誤；隨著脫水筒轉(zhuǎn)動角速度的增加，需要的向心力增加，當(dāng)附著力不足以提供需要的向心力時，衣服上的水滴將做離心運動，故脫水筒轉(zhuǎn)動角速度越大，脫水效果會越好，D正確【考點】離心運動問題【題點】生活中的離心運動7.無縫鋼管的制作原理如圖5所示，豎直平面內(nèi)，管狀模型置于兩個支撐輪上，支撐輪轉(zhuǎn)動時通過摩擦力帶動管狀模型轉(zhuǎn)動，鐵水注入管狀模型后，由于離心作

13、用，鐵水緊緊地覆蓋在模型的內(nèi)壁上，冷卻后就得到無縫鋼管已知管狀模型內(nèi)壁半徑為R，則下列說法正確的是()圖5A鐵水是由于受到離心力的作用才覆蓋在模型內(nèi)壁上的B模型各個方向上受到的鐵水的作用力相同C若最上部的鐵水恰好不離開模型內(nèi)壁，此時僅重力提供向心力D管狀模型轉(zhuǎn)動的角速度最大為答案C解析鐵水是由于離心作用覆蓋在模型內(nèi)壁上的，模型對它的彈力和重力的合力提供向心力，選項A錯誤；模型最下部受到的鐵水的作用力最大，最上部受到的鐵水的作用力最小，選項B錯誤；最上部的鐵水如果恰好不離開模型內(nèi)壁，則重力提供向心力，由mgmR2，可得，故管狀模型轉(zhuǎn)動的角速度至少為，選項C正確，D錯誤【考點】離心運動問題【題點】

14、生活中的離心運動考點四圓周運動的動力學(xué)問題8.如圖6所示，固定的錐形漏斗內(nèi)壁是光滑的，內(nèi)壁上有兩個質(zhì)量相等的小球A和B，在各自不同的水平面內(nèi)做勻速圓周運動，以下物理量大小關(guān)系正確的是()圖6A線速度vAvBB角速度ABC向心力FAFBD向心加速度aAaB答案A解析設(shè)漏斗的頂角為2，則小球受到的合力為F合，由FF合m2rmma，知向心力FAFB，向心加速度aAaB，選項C、D錯誤；因rArB，又由于v和知vAvB、AB，故A對，B錯誤【考點】圓錐擺類模型【題點】類圓錐擺的動力學(xué)問題分析9(多選)如圖7所示，將一質(zhì)量為m的擺球用長為L的細繩吊起，上端固定，使擺球在水平面內(nèi)做勻速圓周運動，細繩就會沿

15、圓錐面旋轉(zhuǎn)，這樣就構(gòu)成了一個圓錐擺，下列說法正確的是()圖7A擺球受重力、拉力和向心力的作用B擺球受重力和拉力的作用C擺球運動周期為2D擺球運動的轉(zhuǎn)速為sin 答案BC解析擺球受重力和繩子拉力兩個力的作用，設(shè)擺球做勻速圓周運動的周期為T，則：mgtan mr，rLsin ，T2，轉(zhuǎn)速n，B、C正確，A、D錯誤【考點】圓錐擺類模型【題點】類圓錐擺的動力學(xué)問題分析10(多選)如圖8所示，水平轉(zhuǎn)臺上放著A、B、C三個物體，質(zhì)量分別為2m、m、m，離轉(zhuǎn)軸的距離分別為R、R、2R，與轉(zhuǎn)臺間的動摩擦因數(shù)相同已知最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，當(dāng)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時，下列說法中正確的是()圖8A若三個物體均未滑動，則C物

16、體的向心加速度最大B若三個物體均未滑動，則B物體受的摩擦力最大C若轉(zhuǎn)速增加，則A物體比B物體先滑動D若轉(zhuǎn)速增加，則C物體最先滑動答案AD解析三物體都未滑動時，角速度相同，設(shè)角速度為，根據(jù)向心加速度公式a2r，知C的向心加速度最大，選項A正確；三個物體受到的靜摩擦力分別為：fA(2m)2R，fBm2R，fCm2(2R)，所以物體B受到的摩擦力最小，選項B錯誤；增加轉(zhuǎn)速，可知C最先達到最大靜摩擦力，所以C最先滑動，A、B的臨界角速度相等，可知A、B一起滑動，選項C錯誤，D正確【考點】水平面內(nèi)的圓周運動的動力學(xué)分析【題點】水平面內(nèi)的圓周運動的動力學(xué)分析二、非選擇題11.(交通工具的轉(zhuǎn)彎問題)如圖9所

17、示為汽車在水平路面做半徑為R的大轉(zhuǎn)彎的后視圖，懸吊在車頂?shù)臒糇笃私牵瑒t：(重力加速度為g)圖9(1)車正向左轉(zhuǎn)彎還是向右轉(zhuǎn)彎？(2)車速是多少？(3)若(2)中求出的速度正是汽車轉(zhuǎn)彎時不打滑允許的最大速度，則車輪與地面間的動摩擦因數(shù)是多少？(最大靜摩擦力等于滑動摩擦力)答案(1)向右轉(zhuǎn)彎(2)(3)tan 解析(1)向右轉(zhuǎn)彎(2)對燈受力分析知mgtan m得v(3)車剛好不打滑，有MgM得tan .【考點】交通工具的轉(zhuǎn)彎問題【題點】水平路面內(nèi)的轉(zhuǎn)彎問題12.(圓周運動的臨界問題)如圖10所示裝置可繞豎直軸OO轉(zhuǎn)動，可視為質(zhì)點的小球A與兩細線連接后分別系于B、C兩點，當(dāng)細線AB沿水平方向繃直

18、時，細線AC與豎直方向的夾角37.已知小球的質(zhì)量m1 kg，細線AC長L1 m(重力加速度g取10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8)圖10(1)若裝置勻速轉(zhuǎn)動，細線AB剛好被拉直成水平狀態(tài)，求此時的角速度1的大?。?2)若裝置勻速轉(zhuǎn)動的角速度2 rad/s，求細線AB和AC上的張力大小TAB、TAC.答案(1) rad/s(2)2.5 N12.5 N解析(1)當(dāng)細線AB剛好被拉直，則AB的拉力為零，靠AC的拉力和重力的合力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律有mgtan 37mLAB解得1 rad/s rad/s(2)若裝置勻速轉(zhuǎn)動的角速度2 rad/s豎直方向上有TACcos 37

19、mg水平方向上有TACsin 37TABmLAB22代入數(shù)據(jù)解得TAC12.5 N，TAB2.5 N.【考點】水平面內(nèi)的勻速圓周運動的動力學(xué)分析【題點】水平面內(nèi)的勻速圓周運動的動力學(xué)分析13(圓周運動的臨界問題)如圖11所示，水平轉(zhuǎn)盤的中心有一個光滑的豎直小圓孔，質(zhì)量為m的物體A放在轉(zhuǎn)盤上，物體A到圓孔的距離為r，物體A通過輕繩與物體B相連，物體B的質(zhì)量也為m.若物體A與轉(zhuǎn)盤間的動摩擦因數(shù)為，則轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的角速度在什么范圍內(nèi)，才能使物體A隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動而不滑動？(已知最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，重力加速度為g)圖11答案解析當(dāng)A將要沿轉(zhuǎn)盤背離圓心滑動時，A所受的摩擦力為最大靜摩擦力，方向指向圓心，此時A做圓周運動所需的向心力為繩的拉力與最大靜摩擦力的合力，即Ffmaxmr12由于B靜止，故有Fmg又fmaxNmg由式可得1當(dāng)A將要沿轉(zhuǎn)盤向圓心滑動時，A所受的摩擦力為最大靜摩擦力，方向背離圓心，此時A做圓周運動所需的向心力為Ffmaxmr22由式可得2故要使A隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動而不滑動，其角速度的范圍為21，即.【考點】水平面內(nèi)的勻速圓周運動的動力學(xué)分析【題點】水平面內(nèi)的勻速圓周運動的動力學(xué)分析