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高中物理人教版 (2019)必修 第二册第六章 圆周运动4 生活中的圆周运动教案配套ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第二册第六章 圆周运动4 生活中的圆周运动教案配套ppt课件，共60页。
1．能定性分析铁路弯道处外轨比内轨高的原因。2．能定量分析汽车过拱形桥最高点和凹形桥最低点时对桥的压力。3．了解航天器中的失重现象及其产生原因。4．知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
关键能力·情境探究达成
知识点二 汽车过桥 航天器中的失重现象
1．火车在弯道上的运动特点 火车在弯道上运动时实际上在做________，因而具有____加速度，由于其质量巨大，需要很大的向心力。
2．火车转弯时向心力的来源分析(1)若铁路弯道内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，火车的向心力由外轨对车轮轮缘的____提供(如图所示)，由于火车的质量很大，转弯所需的向心力很大，铁轨和车轮极易受损。(2)若铁路弯道外轨略高于内轨，根据转弯处轨道的半径和规定的行驶速度，适当调整内外轨的高度差，使转弯时所需的向心力几乎完全由________和__________的合力提供，从而减轻外轨与轮缘的挤压。
火车拐弯时运动轨迹为一段圆弧，火车在铁轨上转弯可以看成是匀速圆周运动，如图所示，请思考下列问题：
【问题】(1)火车转弯处的铁轨有什么特点？(2)火车按照规定速度转弯时向心力来源？(3)火车转弯时速度过大或过小，会对哪侧轨道有侧压力？
提示：(1)火车转弯处，外轨高于内轨。(2)重力G与支持力FN的合力F提供火车转弯的向心力，如图所示。(3)火车转弯时速度过大会对轨道外侧有压力，速度过小会对轨道内侧有压力。
1．圆周平面的特点：弯道处外轨高于内轨，但火车在行驶过程中，重心高度不变，即火车的重心轨迹在同一水平面内，火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。
【典例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，轨道半径为400 m。(g取10 m/s2)(1)试计算铁轨受到的侧压力大小。(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的正切值。[思路点拨] 第(1)问中，外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力。第(2)问中，重力和铁轨对火车的支持力的合力提供火车转弯的向心力。
规律方法 火车转弯问题的两点注意(1)合力的方向：火车转弯时，火车所受合力沿水平方向指向圆心，而不是沿轨道斜面向下。(2)受力分析：火车转弯速率大于或小于规定速率时，火车受到三个力的作用，即重力、轨道的支持力和外轨或内轨对火车的侧向挤压力，侧向挤压力的方向沿轨道平面向里或向外，合力沿水平面指向圆心。
[跟进训练]1．(2022·广东兴宁一中期中)在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨，当火车以规定的行驶速度转弯时，内、外轨均不会受到轮缘的侧向挤压。为了提高转弯的规定速度，仅改变一个量，下列可行的措施是( )A．减小火车质量B．增大铁轨与车轮间的摩擦C．减小转弯半径D．增大轨道倾角
用两根铁丝弯成如图所示的凹凸桥。把一个小球放在凹桥底部A，调节两轨间的距离，使小球刚好不掉下去，但稍加一点压力，小球就会撑开两轨下落。
【问题】(1)让小球从斜轨滚下，当小球经过凹桥底部时，你看到了什么？(2)把凹桥下的搭钩扣上，并让小球在凸桥顶端B静止放置时，刚好能撑开两轨下落。然后，让小球再从斜轨滚下，当球经过凸桥顶端时，你又看到了什么？(3)上述两种现象说明什么？
提示：(1)小球经过凹桥底部时，从两轨间掉了下来，对轨道的压力大于小球的重力。(2)小球经过凸桥顶端时，没有掉下来，对轨道的压力小于小球的重力。(3)小球在凹桥底部加速度方向向上，处于超重状态；小球在凸桥顶端加速度方向向下，处于失重状态。
【典例2】 (2022·长治第二中学高一期中)有一辆质量为600 kg的小汽车驶上圆弧半径为50 m的拱桥。(g＝10 m/s2)(1)汽车到达桥顶时速度为6 m/s，汽车对桥的压力是多大？(2)汽车以多大速度经过桥顶时恰好对桥没有压力而腾空？(3)如果拱桥的半径增大到与地球半径R(R＝6 400 km)一样，汽车要在桥面上腾空，速度要多大？[思路点拨] 解答本题应明确以下两点：(1)汽车过凸形桥最高点时的受力特点。(2)根据牛顿第二定律列方程求解。
规律方法 汽车过桥问题的解题步骤(1)选取研究对象，确定轨道平面、圆心位置和轨道半径。(2)正确分析研究对象的受力情况，明确向心力是按作用效果命名的力，在受力分析时不能列出，明确向心力的来源。(3)根据平衡条件和牛顿运动定律列方程求解。
[跟进训练]2．(多选)2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭成功发射。航天员在太空中随飞船一起做匀速圆周运动时，处于失重状态，下列说法正确的是( )A．航天员仍受重力的作用B．航天员受力不平衡C．航天员所受重力等于所需的向心力D．航天员不受重力的作用
ABC [失重是指物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象，太空中的航天员仍受重力的作用，且所受重力等于其做匀速圆周运动所需的向心力，故A、C正确，D错误；航天员随飞船做匀速圆周运动，处于非平衡状态，故B正确。]
1．定义：物体沿____方向飞出或做逐渐____圆心的运动。2．原因：向心力突然消失或合力不足以提供所需的______。3．离心运动的应用和防止(1)应用：洗衣机的脱水筒，____________，医用离心分离机。(2)防止：汽车在公路转弯处必须限速行驶，转动的____、飞轮的转速不能太高。
链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出。汽车高速转弯时，若摩擦力不足，汽车会滑出路面。
1．离心运动的实质离心现象的本质是物体惯性的表现。做圆周运动的物体，由于惯性，总是有沿着圆周切线方向飞出去的倾向，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向方向拉回到圆周上来。
【典例3】 一质量为2.0×103 kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104 N，当汽车经过半径为80 m的弯道时，下列判断正确的是( )A．汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力B．汽车转弯的速度为20 m/s时所需的向心力为1.4×104 NC．汽车转弯的速度为20 m/s时汽车会发生侧滑D．汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0 m/s2
[跟进训练]4．(多选)在地面上，将水和油混合后，静置一段时间后水和油会出现分层现象，但在太空失重环境中，水和油始终呈现混合状态。2022年3月23日的太空授课中，航天员通过“甩”的方式让封闭试管内的水油混合物绕手做圆周运动，也实现了油水分离。封闭试管做圆周运动时给油水混合物提供了一种“模拟重力”的环境，“模拟重力”的方向沿试管远离转轴的方向，其大小与液体的质量以及其到转轴距离成正比。当封闭试管由静止开始绕手旋转并不断增大转速的过程中，下列说法正确的是( )
A．水相对试管向内侧运动，油相对试管向外侧运动B．水相对试管向外侧运动，油相对试管向内侧运动C．转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向向外逐渐变大D．转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向各处大小相同
BC [水的密度大于油的密度，则根据离心原理，水比油在相同的角速度和半径下需要的向心力更大，因此产生离心现象，水相对试管向外侧运动，油相对试管向内侧运动，故B正确，A错误；内外层液体的角速度相同，根据a＝ω2r可知，转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向向外逐渐变大，故C正确，D错误。]
学习效果·随堂评估自测
1．如图所示，在匀速转动的洗衣机脱水筒内壁上，有一件湿衣服随圆筒一起转动而未滑动，则( )A．衣服随脱水筒做圆周运动的向心力由衣服的重力提供B．水会从脱水筒甩出是因为水滴受到的向心力很大C．加快脱水筒转动角速度，衣服对筒壁的压力减小D．加快脱水筒转动角速度，脱水效果会更好
D [衣服受到竖直向下的重力、竖直向上的静摩擦力、指向圆心的支持力，重力和静摩擦力是一对平衡力，大小相等，故向心力是由支持力提供的，A错误；脱水筒转动角速度增大以后，支持力增大，故衣服对筒壁的压力也增大，C错误；水会被甩出是因为衣服对水滴的附着力不足以提供其做圆周运动的向心力，B错误；随着脱水筒转动角速度的增加，需要的向心力增加，当附着力不足以提供需要的向心力时，衣服上的水滴将做离心运动，故脱水筒转动角速度越大，脱水效果会越好，D正确。]
回归本节知识，自我完成以下问题：1．对火车转弯要做哪些安全限制？提示：速度、载重。2．汽车过拱形桥的向心力来源是什么？提示：重力和支持力的合力。
3．航天员在太空中处于什么状态？提示：完全失重状态。4．发生离心现象的原因是什么？提示：向心力突然消失或物体所受合外力不足以提供所需的向心力。
阅读材料·拓展物理视野
航天员的太空生活由于人在太空中处于完全失重状态，生活环境与地球表面的生活环境迥然不同，因此，在太空中的衣、食、住、行与地面不同，会带来许多惊险和奇趣。
一、住——密封座舱密封座舱是载人航天器上最基本的也是最根本的生命设施。太空中的强辐射就像原子弹爆炸时所产生的辐射一样，会破坏人体的细胞组织；高速飞行的微流星体撞击，能置人于死地；人体暴露在高度真空中，不仅仅是缺氧窒息的问题，还可能导致体液沸腾而迅速死亡。密封座舱的舱壁，可以防止辐射和微流星体对人的伤害，座舱中的空气可以使人不受真空的伤害。
二、吃——太空食品在航天器的密封座舱中进食既有乐趣，又有危险。可把食物和饮料悬在空中，用嘴一口一口咬或吸食，而双手仍然可以做其他事情。但食物碎渣会到处飘飞，易迷眼钻鼻，还会损坏仪器设备。因此，在早期的航天活动中，会将食物做成糊状，装在软管中，食用时，像挤牙膏一样往嘴里挤。现在的太空食品和进食方法已与地面上差不多了。食物稍带黏性就可以黏在盘子中不飞走，而盘子可以固定在餐桌上。
三、睡——睡袋在航天器的密封座舱中睡觉特别方便，不管什么姿势，不管什么地方，都可以睡。但是，为了安全，应该钻进睡袋中，并将睡袋固定住，不然，睡袋到处飘飞，最后每个人都会挤到通风口，而当航天器加速或减速时，可能会被舱壁和仪器设备碰伤。除此之外还要戴上眼罩和耳罩，以免快速交替的日夜节奏和仪器设备发出的声音影响睡眠。睡觉时手臂要放进睡袋中，以免被卷进机器或碰着仪器设备的开关，在太空失重环境中，头和四肢有与躯体分离的感觉。
四、衣——舱外活动航天服舱外活动航天服不仅要具备密封座舱的全部功能，而且还要增加太空行走和通信设备，那就是航天服背部的喷气背包和通信背包。喷气背包可以向上、下、左、右、前、后六个方向喷气，航天员靠喷气的反作用力移动。在太空中，真空条件下不能传播声音，近在咫尺也要靠通信背包通信。
五、行在航天器的密封座舱中行走非常省力和方便，只要用躯体的任何部位碰一下任何物体，反作用力就可把人推到任何位置上。用四肢划动空气，反作用力也会使人前进。
1．能定性分析铁路弯道处外轨比内轨高的原因。2．能定量分析汽车过拱形桥最高点和凹形桥最低点时对桥的压力。3．了解航天器中的失重现象及其产生原因。4．知道离心运动及其产生的条件，了解离心运动的应用和防止。
关键能力·情境探究达成
知识点二 汽车过桥 航天器中的失重现象
1．火车在弯道上的运动特点 火车在弯道上运动时实际上在做________，因而具有____加速度，由于其质量巨大，需要很大的向心力。
2．火车转弯时向心力的来源分析(1)若铁路弯道内外轨一样高，火车转弯时，外侧车轮的轮缘挤压外轨，火车的向心力由外轨对车轮轮缘的____提供(如图所示)，由于火车的质量很大，转弯所需的向心力很大，铁轨和车轮极易受损。(2)若铁路弯道外轨略高于内轨，根据转弯处轨道的半径和规定的行驶速度，适当调整内外轨的高度差，使转弯时所需的向心力几乎完全由________和__________的合力提供，从而减轻外轨与轮缘的挤压。
火车拐弯时运动轨迹为一段圆弧，火车在铁轨上转弯可以看成是匀速圆周运动，如图所示，请思考下列问题：
【问题】(1)火车转弯处的铁轨有什么特点？(2)火车按照规定速度转弯时向心力来源？(3)火车转弯时速度过大或过小，会对哪侧轨道有侧压力？
提示：(1)火车转弯处，外轨高于内轨。(2)重力G与支持力FN的合力F提供火车转弯的向心力，如图所示。(3)火车转弯时速度过大会对轨道外侧有压力，速度过小会对轨道内侧有压力。
1．圆周平面的特点：弯道处外轨高于内轨，但火车在行驶过程中，重心高度不变，即火车的重心轨迹在同一水平面内，火车的向心加速度和向心力均沿水平面指向圆心。
【典例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，轨道半径为400 m。(g取10 m/s2)(1)试计算铁轨受到的侧压力大小。(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的正切值。[思路点拨] 第(1)问中，外轨对轮缘的侧压力提供火车转弯所需要的向心力。第(2)问中，重力和铁轨对火车的支持力的合力提供火车转弯的向心力。
规律方法 火车转弯问题的两点注意(1)合力的方向：火车转弯时，火车所受合力沿水平方向指向圆心，而不是沿轨道斜面向下。(2)受力分析：火车转弯速率大于或小于规定速率时，火车受到三个力的作用，即重力、轨道的支持力和外轨或内轨对火车的侧向挤压力，侧向挤压力的方向沿轨道平面向里或向外，合力沿水平面指向圆心。
[跟进训练]1．(2022·广东兴宁一中期中)在修筑铁路时，弯道处的外轨会略高于内轨，当火车以规定的行驶速度转弯时，内、外轨均不会受到轮缘的侧向挤压。为了提高转弯的规定速度，仅改变一个量，下列可行的措施是( )A．减小火车质量B．增大铁轨与车轮间的摩擦C．减小转弯半径D．增大轨道倾角
用两根铁丝弯成如图所示的凹凸桥。把一个小球放在凹桥底部A，调节两轨间的距离，使小球刚好不掉下去，但稍加一点压力，小球就会撑开两轨下落。
【问题】(1)让小球从斜轨滚下，当小球经过凹桥底部时，你看到了什么？(2)把凹桥下的搭钩扣上，并让小球在凸桥顶端B静止放置时，刚好能撑开两轨下落。然后，让小球再从斜轨滚下，当球经过凸桥顶端时，你又看到了什么？(3)上述两种现象说明什么？
提示：(1)小球经过凹桥底部时，从两轨间掉了下来，对轨道的压力大于小球的重力。(2)小球经过凸桥顶端时，没有掉下来，对轨道的压力小于小球的重力。(3)小球在凹桥底部加速度方向向上，处于超重状态；小球在凸桥顶端加速度方向向下，处于失重状态。
【典例2】 (2022·长治第二中学高一期中)有一辆质量为600 kg的小汽车驶上圆弧半径为50 m的拱桥。(g＝10 m/s2)(1)汽车到达桥顶时速度为6 m/s，汽车对桥的压力是多大？(2)汽车以多大速度经过桥顶时恰好对桥没有压力而腾空？(3)如果拱桥的半径增大到与地球半径R(R＝6 400 km)一样，汽车要在桥面上腾空，速度要多大？[思路点拨] 解答本题应明确以下两点：(1)汽车过凸形桥最高点时的受力特点。(2)根据牛顿第二定律列方程求解。
规律方法 汽车过桥问题的解题步骤(1)选取研究对象，确定轨道平面、圆心位置和轨道半径。(2)正确分析研究对象的受力情况，明确向心力是按作用效果命名的力，在受力分析时不能列出，明确向心力的来源。(3)根据平衡条件和牛顿运动定律列方程求解。
[跟进训练]2．(多选)2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭成功发射。航天员在太空中随飞船一起做匀速圆周运动时，处于失重状态，下列说法正确的是( )A．航天员仍受重力的作用B．航天员受力不平衡C．航天员所受重力等于所需的向心力D．航天员不受重力的作用
ABC [失重是指物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象，太空中的航天员仍受重力的作用，且所受重力等于其做匀速圆周运动所需的向心力，故A、C正确，D错误；航天员随飞船做匀速圆周运动，处于非平衡状态，故B正确。]
1．定义：物体沿____方向飞出或做逐渐____圆心的运动。2．原因：向心力突然消失或合力不足以提供所需的______。3．离心运动的应用和防止(1)应用：洗衣机的脱水筒，____________，医用离心分离机。(2)防止：汽车在公路转弯处必须限速行驶，转动的____、飞轮的转速不能太高。
链球比赛中，高速旋转的链球被放手后会飞出。汽车高速转弯时，若摩擦力不足，汽车会滑出路面。
1．离心运动的实质离心现象的本质是物体惯性的表现。做圆周运动的物体，由于惯性，总是有沿着圆周切线方向飞出去的倾向，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向方向拉回到圆周上来。
【典例3】 一质量为2.0×103 kg的汽车在水平公路上行驶，路面对轮胎的径向最大静摩擦力为1.4×104 N，当汽车经过半径为80 m的弯道时，下列判断正确的是( )A．汽车转弯时所受的力有重力、弹力、摩擦力和向心力B．汽车转弯的速度为20 m/s时所需的向心力为1.4×104 NC．汽车转弯的速度为20 m/s时汽车会发生侧滑D．汽车能安全转弯的向心加速度不超过7.0 m/s2
[跟进训练]4．(多选)在地面上，将水和油混合后，静置一段时间后水和油会出现分层现象，但在太空失重环境中，水和油始终呈现混合状态。2022年3月23日的太空授课中，航天员通过“甩”的方式让封闭试管内的水油混合物绕手做圆周运动，也实现了油水分离。封闭试管做圆周运动时给油水混合物提供了一种“模拟重力”的环境，“模拟重力”的方向沿试管远离转轴的方向，其大小与液体的质量以及其到转轴距离成正比。当封闭试管由静止开始绕手旋转并不断增大转速的过程中，下列说法正确的是( )
A．水相对试管向内侧运动，油相对试管向外侧运动B．水相对试管向外侧运动，油相对试管向内侧运动C．转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向向外逐渐变大D．转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向各处大小相同
BC [水的密度大于油的密度，则根据离心原理，水比油在相同的角速度和半径下需要的向心力更大，因此产生离心现象，水相对试管向外侧运动，油相对试管向内侧运动，故B正确，A错误；内外层液体的角速度相同，根据a＝ω2r可知，转动时“模拟重力”产生的“模拟重力加速度”沿半径方向向外逐渐变大，故C正确，D错误。]
学习效果·随堂评估自测
1．如图所示，在匀速转动的洗衣机脱水筒内壁上，有一件湿衣服随圆筒一起转动而未滑动，则( )A．衣服随脱水筒做圆周运动的向心力由衣服的重力提供B．水会从脱水筒甩出是因为水滴受到的向心力很大C．加快脱水筒转动角速度，衣服对筒壁的压力减小D．加快脱水筒转动角速度，脱水效果会更好
D [衣服受到竖直向下的重力、竖直向上的静摩擦力、指向圆心的支持力，重力和静摩擦力是一对平衡力，大小相等，故向心力是由支持力提供的，A错误；脱水筒转动角速度增大以后，支持力增大，故衣服对筒壁的压力也增大，C错误；水会被甩出是因为衣服对水滴的附着力不足以提供其做圆周运动的向心力，B错误；随着脱水筒转动角速度的增加，需要的向心力增加，当附着力不足以提供需要的向心力时，衣服上的水滴将做离心运动，故脱水筒转动角速度越大，脱水效果会越好，D正确。]
回归本节知识，自我完成以下问题：1．对火车转弯要做哪些安全限制？提示：速度、载重。2．汽车过拱形桥的向心力来源是什么？提示：重力和支持力的合力。
3．航天员在太空中处于什么状态？提示：完全失重状态。4．发生离心现象的原因是什么？提示：向心力突然消失或物体所受合外力不足以提供所需的向心力。
阅读材料·拓展物理视野
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一、住——密封座舱密封座舱是载人航天器上最基本的也是最根本的生命设施。太空中的强辐射就像原子弹爆炸时所产生的辐射一样，会破坏人体的细胞组织；高速飞行的微流星体撞击，能置人于死地；人体暴露在高度真空中，不仅仅是缺氧窒息的问题，还可能导致体液沸腾而迅速死亡。密封座舱的舱壁，可以防止辐射和微流星体对人的伤害，座舱中的空气可以使人不受真空的伤害。
二、吃——太空食品在航天器的密封座舱中进食既有乐趣，又有危险。可把食物和饮料悬在空中，用嘴一口一口咬或吸食，而双手仍然可以做其他事情。但食物碎渣会到处飘飞，易迷眼钻鼻，还会损坏仪器设备。因此，在早期的航天活动中，会将食物做成糊状，装在软管中，食用时，像挤牙膏一样往嘴里挤。现在的太空食品和进食方法已与地面上差不多了。食物稍带黏性就可以黏在盘子中不飞走，而盘子可以固定在餐桌上。
三、睡——睡袋在航天器的密封座舱中睡觉特别方便，不管什么姿势，不管什么地方，都可以睡。但是，为了安全，应该钻进睡袋中，并将睡袋固定住，不然，睡袋到处飘飞，最后每个人都会挤到通风口，而当航天器加速或减速时，可能会被舱壁和仪器设备碰伤。除此之外还要戴上眼罩和耳罩，以免快速交替的日夜节奏和仪器设备发出的声音影响睡眠。睡觉时手臂要放进睡袋中，以免被卷进机器或碰着仪器设备的开关，在太空失重环境中，头和四肢有与躯体分离的感觉。
四、衣——舱外活动航天服舱外活动航天服不仅要具备密封座舱的全部功能，而且还要增加太空行走和通信设备，那就是航天服背部的喷气背包和通信背包。喷气背包可以向上、下、左、右、前、后六个方向喷气，航天员靠喷气的反作用力移动。在太空中，真空条件下不能传播声音，近在咫尺也要靠通信背包通信。
五、行在航天器的密封座舱中行走非常省力和方便，只要用躯体的任何部位碰一下任何物体，反作用力就可把人推到任何位置上。用四肢划动空气，反作用力也会使人前进。
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