《生活中的圓周運動》圓周運動PPT課件
第一部分：基本知識和素養基礎
1. 列車轉彎
【思考】
火車轉彎時，外軌與內軌是否在同一高度？火車車輪設計有何特點？
提示：火車轉彎時，外軌與內軌高度不同，外軌較高，內軌較低。火車車輪采用凸緣設計。
1、火車車輪的結構特點：火車車輪上有凸出的輪輞，火車行駛時，有輪輞的一側在軌道上。
功能：幫助固定運動軌跡。
2、列車在曲線上運動的特點：圓周運動，向心加速度指向圓心。
3、向心力的來源：當內外軌處于同一高度時高中物理火車轉彎，提供向心力。
當內外軌之間存在高度差時，車輛以規定的速度行駛，提供向心力。
2. 汽車駛過拱橋
3. 航天器中的失重狀態
【思考】
如果把一個物體放在水平桌子上，就會對桌子產生壓力；如果一艘航天器繞地球做圓圈運動，航天器內的物體會對航天器產生壓力嗎？
提示：航天器中的物體不會對航天器施加壓力。
1. 向心力分析： 和 的合力為宇航員提供了向心力。_____= 。
2、失重狀態：當v=_____時，艙室對宇航員的支撐力為零，宇航員處于完全失重狀態。
4.離心運動
1. 含義：物體飛出或逐漸移離圓心。
2、原因：向心力突然消失或提供不了所需的向心力。
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生活中的圓周運動PPT第二部分：關鍵能力與素養的養成
火車轉彎
1.鐵路曲線：
（1）若鐵路曲線的內、外軌高度相同，外輪輪緣會擠壓外軌留學之路，使外軌產生彈性變形。外軌對輪緣的彈力即為列車轉彎時的向心力，如圖A所示。但列車質量很大，輪緣與外緣相互作用力過大，用這種方式無法獲得向心力，因此鋼軌和車輪容易損壞。
（2）若曲線處外軌略高于內軌，如圖B所示，列車轉彎時軌道對列車的支撐力FN方向不再是垂直方向高中物理火車轉彎，而是指向斜曲線內側，支撐力與重力的合力指向圓心，為列車轉彎提供全部或部分向心力，減少輪緣與外軌之間的擠壓。
2. 轉彎時列車要求的速度：
（1）有關物理量：設列車轉彎時向心力完全由重力mg與支撐力FN的合力提供，設內外軌距為L，兩軌高差為h，列車轉彎半徑為R，列車質量為m。
（2）理論分析：根據幾何關系可知sinθ=____；由圖中列車受力可知tanθ=____。當θ很小時，近似認為sinθ=tanθ，即____，故=____。根據向心力公式可知=____，故____，v0=____。由于h、L、R是在鐵路建成后確定的，所以轉彎時對軌道沒有側壓力時列車的速度應為一個常數，即規定速度。
（3）速度關系：
① 當列車以速度v=v0轉彎時，輪緣對內軌和外軌均不施加側向壓力。
②當列車以速度v>v0轉彎時，外軌對車輪輪緣產生向內的側向壓力。
③當列車以速度v轉彎時
【思考與討論】
情形：一列高速列車在經過如圖所示的曲線時做勻速圓周運動。
討論：
（1）高鐵轉彎處的鋼軌有何特點，轉彎時哪些力提供向心力？（科學思考）
提示：軌道在彎道處外側高于內側；轉彎時，向心力由重力和支撐力合力提供。
（2）高速列車以過高或過低的速度轉彎時，軌道哪一側會受到側向壓力？（科學思考）
提示： ①車速太高，造成外軌側壓。
②車速太低，造成內軌側壓。
【實例演示】
（多選） 設計水平面上的列車軌道曲線時，應外軌高、內軌低，即路基形成外側高、內側低的斜坡（如圖所示）。內、外軌高差的設計應考慮軌道轉彎半徑和列車速度。若某條曲線設計成當列車以速度v通過時，車輪輪緣對內、外軌的壓力恰好為零，車輪與鋼軌之間的摩擦力可以忽略不計，則下列說法正確的是（）
A、當火車以速度v通過此曲線時，火車所受合力的方向沿路基向下。
B.當火車以速度v通過該曲線時，火車的重力和軌道對火車的支撐力合力產生了向心力。
C.當火車行駛速度大于v時，外軌會對輪輞施加壓力。
D.當列車行駛速度小于v時，外軌對車輪輪緣產生壓力。
【解析】選B、C。火車轉彎時，輪緣對內、外軌的壓力恰好為零，向心力由重力和支撐力的合力提供，且方向與圓心水平，故A錯誤，B正確；當速度大于v時，重力和支撐力的合力小于所需的向心力，外軌對輪輞施加壓力，故C正確；當速度小于v時，重力和支撐力的合力大于向心力，內軌對輪輞施加壓力，故D錯誤。
【讀寫培訓】
1.（多選） 列車轉彎可粗略看作勻速圓周運動，列車以規定速度通過時，內、外軌道不受橫向擠壓。現為降低列車轉彎時的規定速度，需對鐵路進行整修。從理論上講，下列措施是可行的（）
A.減小內軌與外軌之間的高度差 B.增大內軌與外軌之間的高度差
C.減小曲線半徑 D.增大曲線半徑
【解析】選取A、C，當列車以規定的速度通過曲線時，列車重力與支撐力的合力提供向心力，如圖所示：
2.（多選） 懸崖邊的路常被稱為最危險的路，汽車要想安全通過這條彎路，下列說法正確的是（）
A. 如果汽車以恒定的角速度轉彎，選擇內圓比較安全
B. 如果汽車以恒定的線速度轉彎，選擇外圈比較安全
C.轉彎時，汽車受到重力、支撐力和摩擦力的作用。
D、轉彎時，汽車受到重力、支撐力、摩擦力和向心力的作用。
兩輛汽車穿過拱橋
1.當汽車經過拱橋最高點時：
如圖所示，設汽車質量為m，橋面圓弧半徑為r，汽車通過橋面最高點時的速度為v。
2、汽車經過凹橋最低處的情況：
如圖所示，汽車受到垂直重力mg和橋梁支撐力FN的作用，這兩個力的合力為汽車提供圓周運動的向心力。
3.處理圓周運動力學問題的一般思路：
（1）確定物體圓周運動的軌道平面和中心。
（2）根據幾何關系計算軌道半徑。
（3）分析作用于物體的力，確定向心力的來源。
（4）根據牛頓第二定律解方程。
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