向心力的实例分析(教学)课件.ppt

高中新课标物理课件,主讲教师 杨文华,本节课的学习目标,1、知道向心力是物体沿半径方向所受的合外力提供的。,2、知道向心力、向心加速度的公式也适用于变速圆周运动。,3、会在具体问题中分析向心力的来源，并进行有关计算。,图片观察,图片观察,交通运输部新闻发言人何建中表示，7月上中旬有4个桥相继垮塌，交通运输部门会同有关部门正在进行调查取证和分析，桥梁垮塌事故的原因也将公布。在几次事故中，超载多成为“压垮”桥梁的“祸首”。,（一)公路载客汽车不得超过核定的载客人数，但按照规定免票的儿童除外，在载客人数已满的情况下，按照规定免票的儿童不得超 过核定载客人数的10%；(二)载货汽车车厢不得载客。在城市道路上，货运机动车在留有安全位置的情况下，车厢内可以附载临时作业人员1人至5人；载物高度超过车厢栏板时，货物上不得载人；(三)摩托车后座不得乘坐未满12周岁的未成年人，轻便摩托车不得载人。,违规装载规定：,这些惨重事件和沉痛教训与我们这节课即将学习的内容息息相关，今天，我们通过两种圆周运动实例-“汽车、火车转弯”和“汽车过拱桥”的分析来解决如何避免上述事件的发生。,F=mr2,向心力：大小：方向：沿半径指向圆心。是变力。特点：F V,方向不断变化。来源：重力、弹力、摩擦力或几个力的合力。,课 堂 小 结,复习,1 提问，匀速圆周运动的物体受到向心力向心力是怎样产生的？例如：（1）绳拉物体做匀速圆周运动，绳的拉力提供向心力（2）物体随水平圆盘做匀速周围运动，静摩擦力提供向心力,小结：向心力是由物体实际受到的一个力或几个力的合力提供的,分析和解决匀速圆周运动的问题，关键是要把向心力的来源搞清楚。向心力是按效果命名的力，并不是一种新性质的力，受力分析时绝不能额外加上一个向心力。,下面让我们从分析向心力角度进一步研究几个实例：,实例1汽车拐弯（水平面内的圆周运动）,让我们一起来看汽车拐弯大货车拐弯直接翻车.f4v（翻车视频.f4v）,如图,汽车为什么没能安全拐弯呢？,影响汽车能否安全拐弯的因素又有哪些呢？,请同学们用学过物理知识来分析一番,汽车拐弯时受力分析,汽车受到的力有：,F摩,F牵,向心力由沿转弯半径指向里面的静摩擦力提供,由谁来提供向心力,摩擦力f、,牵引力F牵,支持力N、,重力G、,圆心方向,那圆周运动需要的向心力与哪些因素有关？,F向=,汽车拐弯其中向心力由沿转弯半径指向里面的静摩擦力提供,其动力学方程为：,如果要让汽车安全拐弯需要满足怎样的关系？,静摩擦力可以无限制增大吗？,汽车没能安全拐弯的原因是什么？,是因为汽车速度太大，因而需要的向心力太大，或者说静摩擦力提供的向心力不够大。,那在怎样的情况下汽车恰好能安全拐弯呢？,最大静摩擦力等于拐弯所需要的向心力时有：,，,0为临界速度,那么，在不改变汽车行驶速度的情况下，要让汽车安全拐弯，我们可以怎么办？,增大摩擦因数U，,减小汽车质量，真的可以转危为安吗？,，,等式两边质量可以消去，即与质量无关。,增大转弯半径R，,还是减小汽车质量M。,刚才我们根据摩擦力提供向心力分析了汽车拐弯的安全问题，有没有办法让其他力来提供向心力呢？,让路面倾斜可以增加拐弯的安全性。,受力如图，重力和支持力的合力来提供向心力,F合,安全弯道设计：路面倾斜,例1.汽车质量为m,路面倾角为，转弯半径为r,若要使汽车在转弯时地面对其侧向静摩擦力为零，且汽车近似做匀速圆周运动，求汽车转弯时向心力的大小以及转弯时的速度。,（弯道设计速度）,火车是当今社会的重要交通工具之一,实例2火车转弯,你有仔细观察过火车车轮与铁轨的构造，并描述它们的特点？,轮缘半径大于车轮半径，轨道将两车轮的轮缘卡在里面。,弊端分析,火车水平转弯时情况分析,由外侧轨道对车轮轮缘的挤压力F提供,1.如果铁路弯道是水平的，那么火车拐弯时将会出现什么情况？,外侧轨道,向心力由外侧轨道对车轮轮缘的挤压力提供.,FN,危害：由于火车质量大，速度也大，车轮轮缘对外侧轨压力大，所以对轨道容易造成损坏，怎样解决这一问题。,2、外轨略高于内轨,增大转弯半径R,还是减火车质量M。,受力如图：,G,N,F合,向心力由重力和支持力的合力来提供,那么减小或不受轮缘对外轨 的挤压,挤压力,设车轨间距为L，两轨间高度差为H，转弯半径为R，质量为M的火车运行。,据三角形边角关系：,对火车受力情况分析：重力和支持力的合力提供向心力，对内外轨都无压力,又因为很小所以,综合有,故,又,所以,实际中，铁轨修好后H、R、L定，又g给定值，所以火车拐弯时的车速为一定值。,思考：可是现实中，铁路建造完工后，倾斜角和转弯半径R就已确定，因此要使外轨不受轮缘的挤压，火车以多大速度转弯最理想呢？,如果能根据转弯半径R和火车速度V来设计内、外轨高度差或倾斜角，使转弯时所需要的向心力刚好由重力和支持力的合力来提供，那么外轨就不再受轮缘的挤压，从而可以大大延长使用寿命。请同学们写出这种情况下牛顿第二定律的表达式？,。,受力分析如图：,最理想转弯速度,所以每一次火车提速，对铁轨弯道重新设计或者重新修铁路,例1.铁路转弯处的圆弧半径是300m,轨距是1435mm,规定火车通过这里的速度是72km/h,内外轨的高度差应该是多大,才能使外轨不受轮缘的挤压?保持内外轨的这个高度差,如果车的速度大于或小于72km/h,会分别发生什么现象?说明理由.,那么，火车如果不是按此速度行驶，会怎么样呢？,讨论和交流,外轨产生弹力起辅助作用；,内轨产生弹力起辅助作用。,据报道：今年4月18日，我国铁路进行了第六次大提速，时速将达200公里以上，这必将为我国的经济腾飞注入新的活力。假设你是一位从事铁路设计的工程师，你认为火车提速有必要对铁路拐弯处进行改造吗？应如何改造?,实例3竖直面内的圆周运动,生活中我们经常会看到美丽的拱形桥，而很少见到凹形桥，那拱形桥有哪些优点呢？,拱形桥可以让更大的船只通过，利于通航。,发洪水的时候，拱形桥在相同的时间内可以流过更多的水，利于泄洪。,更加坚固、美观。,汽车过桥问题,黄石长江大桥,1、平面桥,N=mg对桥的压力等于车重,受力如图：,G,N,求汽车以速度v 过半径为r 的拱桥时对拱桥的压力？,2、汽车过拱桥,汽车做什么运动？什么力作向心力？,受力分析如图,根据上面的分析可以看出，汽车行驶的速度越大，汽车对桥的压力越小。,一、汽车过桥问题,汽车过拱桥最高点时,（1）当 时，NG，失重，v越大，N越小,（3）当 时，物体做_平抛_运动.汽车将脱离桥面，发生危险。,例一、质量为m的汽车以恒定的速率v通过半径为r的拱桥，如图所示，求汽车在桥顶时对路面的压力是多少？,解：汽车通过桥顶时，受力情况如图。,汽车通过桥顶时：,h,由牛顿第三定律：,O,r,注意:汽车过桥的速度不得太大,否则N将消失,汽车将飞离桥面.,例题3、质量是1103kg的汽车驶过一座拱桥，已知桥顶点桥面的圆弧半径是90m，g=10m/s2。求：（1)汽车以15 m/s的速度驶过桥顶时，汽车对桥面的压力；（2）汽车以多大的速度驶过桥顶时，汽车对桥面的压力为零？,3.求汽车过凹形路段最低点时对路面的压力？,【解】G 和 N 的合力提供汽车做圆周运动的向心力，由牛顿第二定律得：,可见汽车的速度越大对桥的压力越大。,汽车 对桥的压力自身重力属超重现象,解得：,由牛顿第二定律：,h,拓展:汽车以恒定的速率v通过半径为r的凹型桥面，如图所示，求汽车在最底部时对桥面的压力是多少？,解：汽车通过底部时，受力情况如图。,比较三种桥面受力的情况,小节:此问题中出现的汽车对桥面的压力大于或小于车重的现象，是发生在圆周运动中的超重或失重现象,日常生活中，当你骑自行车快速通过凹凸不平的路面时，不知道你有没体会到过与平路不一样的感觉？有时感觉飘起来，有时屁股震得好痛。,通过这堂课的学习，你学到了什么？,