2020版高中物理 第二章 匀速圆周运动 2 匀速圆周运动的向心力和向心加速度课件 教科版必修2

2.匀速圆周运动的向心力和向心加速度一、向心力及其方向1.定义:做圆周运动的物体,受到的始终指向_____的合力。2.方向:始终指向_____,总是与运动方向_____。3.作用效果:向心力只改变速度_____,不改变速度大小。圆心圆心垂直方向4.来源:可能是_____、重力、摩擦力或是它们的_____。做匀速圆周运动的物体,向心力就是物体受到的_____,做非匀速圆周运动的物体,向心力不是物体所受到的合力。弹力合力合力二、向心力的大小1.实验探究:控制变量探究内容ω、r相同,改变m探究向心力F与______的关系m、r相同,改变ω探究向心力F与_________的关系m、ω相同,改变r探究向心力F与______的关系质量m角速度ω半径r2.公式:F=_____或F=_______。三、向心加速度1.定义:做圆周运动的物体受到向心力的作用,存在一个由_______产生的加速度。2.大小:a=___或a=____。3.方向:与向心力的方向一致,始终指向_____。mrω22vmr向心力2vrω2r圆心一向心力1.向心力的特点:(1)方向:方向时刻在变化,始终指向圆心,与线速度的方向垂直。(2)大小:F=m=mrω2=mωv=mr,在匀速圆周运动中,向心力大小不变;在非匀速圆周运动中,其大小随速率v的变化而变化。2vr224T2.向心力的作用效果:由于向心力的方向与物体运动方向始终垂直,故向心力不改变线速度的大小,只改变线速度的方向。3.向心力的来源:物体做圆周运动时,向心力由物体所受力中沿半径方向的力提供。可以由一个力充当向心力;也可以由几个力的合力充当向心力;还可以是某个力的分力充当向心力。4.常见圆周运动向心力的来源实例:向心力示意图绳子的拉力和重力的合力提供向心力,F向=T+G线的拉力提供向心力,F向=T向心力示意图转盘对物体的静摩擦力提供向心力,F向=f重力和细线的拉力的合力提供向心力,F向=F合【思考·讨论】情境:如图所示,水平面上,小球在细绳拉力作用下做圆周运动。讨论:(1)牵绳的手有什么感觉?(2)如果松手将发生什么现象?(3)小球为什么做圆周运动?(科学思维)提示:(1)手有被绳拉的感觉。(2)如果松手,球会脱离绳的牵引。(3)小球在绳的拉力作用下做圆周运动。【典例示范】如图,小物体A与圆盘保持相对静止,跟着圆盘一起做匀速圆周运动,则()A.A受重力、支持力,两者的合力提供向心力B.A受重力、支持力和指向圆心的摩擦力,摩擦力充当向心力C.A受重力、支持力、向心力、摩擦力D.A受重力、支持力、向心力【解析】选B。物体在水平面上,一定受到重力和支持力作用,物体在转动过程中,有背离圆心的运动趋势,因此受到指向圆心的静摩擦力,且静摩擦力提供向心力,故A、C、D错误,B正确。【定向训练】1.如图所示,用细绳吊着一个质量为m的小球,使小球在水平面内做匀速圆周运动,则小球受到的向心力是()A.绳子的拉力B.重力、绳的拉力的合力C.重力D.重力和绳拉力的合力沿绳方向的分力【解析】选B。小球在水平面内做匀速圆周运动,对小球受力分析:小球受重力和绳子的拉力,由于它们的合力总是指向圆心并使得小球在水平面内做匀速圆周运动,故在物理学上,将这个合力就叫作向心力,即向心力是按照力的效果来命名的,这里是重力和拉力的合力。故B正确,A、C、D错误。2.如图所示,把一小球放在玻璃漏斗中,晃动漏斗,可以使小球沿光滑的壁在某水平面内做匀速圆周运动。关于运动中小球的受力,下列说法正确的是()A.重力,支持力B.支持力,向心力C.重力,支持力,向心力D.重力,向心力【解析】选A。小球受重力和支持力两个力的作用,靠两个力的合力提供向心力,向心力不是物体受到的力,是做圆周运动所需要的力,靠其他力提供。球沿光滑的壁运动,没有摩擦力。故A正确,B、C、D错误。3.如图所示,某物体沿光滑圆弧轨道由最高点滑到最低点过程中,物体的速率逐渐增大,则()14A.物体的合外力为零B.物体的合力大小不变,方向始终指向圆心OC.物体的合外力就是向心力D.物体的合力方向始终与其运动方向不垂直(最低点除外)【解析】选D。物体做变加速曲线运动,合力不为零,A错。物体做速度大小变化的圆周运动,合力不指向圆心,合力沿半径方向的分力等于向心力,合力沿切线方向的分力使物体速度变大,即除在最低点外,物体的速度方向与合外力的方向夹角为锐角,合力与速度不垂直,B、C错,D对。【补偿训练】在水平面上,小猴拉着小滑块做匀速圆周运动,O点为圆心,能正确地表示小滑块受到的牵引力及摩擦力f的图是()【解析】选A。滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反,故滑动摩擦力的方向沿圆周的切线方向,B、D错误;小滑块做匀速圆周运动,其合外力提供向心力,故A正确,C错误。二向心加速度任务1认识向心加速度1.物理意义:向心加速度是描述做圆周运动的物体速度方向改变快慢的物理量。2.方向:总是指向圆心,即向心加速度的方向与速度方向垂直,时刻在变化,因此匀速圆周运动是变加速曲线运动。【思考·讨论】情境:如图所示,小球做匀速圆周运动,它的速度方向时刻在变,所以匀速圆周运动是变速曲线运动。而通过必修一的学习我们知道力是改变物体运动状态的原因。讨论:做匀速圆周运动的物体所受合外力有何特点?加速度又如何呢?(物理观念)提示:做匀速圆周运动的物体所受合外力指向圆心,加速度也指向圆心。【典例示范1】关于向心加速度,下列说法正确的是()A.向心加速度是描述线速度方向变化快慢的物理量B.向心加速度是描述线速度大小变化快慢的物理量C.向心加速度是描述角速度变化快慢的物理量D.向心加速度的方向始终保持不变【解析】选A。对于匀速圆周运动,角速度不变,可知向心加速度不是描述角速度变化快慢的物理量,故A正确,B、C错误;向心加速度的方向始终指向圆心,时刻在改变,故D错误。故选A。任务2向心加速度的计算1.向心加速度公式:当半径一定时,向心加速度的大小与角速度的平方成正比,也与线速度的平方成正比,随频率的增大或周期的减小而增大。22222n2v4arr4frvrT＝＝＝＝2.向心加速度与半径的关系:(1)若ω为常数,根据a=ω2r可知,向心加速度与r成正比,如图甲所示。(2)若v为常数,根据a=可知,向心加速度与r成反比,如图乙所示。2vr(3)若无特定条件,则不能确定向心加速度与r是成正比还是反比。【典例示范2】(多选)关于地球上的物体随地球自转的向心加速度的大小,下列说法正确的是()A.在赤道上向心加速度①最大B.在两极向心加速度②最大C.在地球上各处，向心加速度一样大D.随着纬度的升高③，向心加速度的值逐渐减小【审题关键】序号信息提取①在赤道上半径大②在两极上半径小③纬度升高,半径减小【解析】选A、D。地球自转时,各点绕地轴转动,具有相同的角速度,根据a=ω2r,知到地轴的距离越大,向心加速度越大,所以在赤道处的向心加速度最大,两极向心加速度最小,故A正确,B、C错误;随着纬度的升高,r变小,则向心加速度变小,故D正确。所以选A、D。【定向训练】1.未来的星际航行中,宇航员长期处于零重力状态,为缓解这种状态带来的不适,有人设想在未来的航天器上加装一段圆柱形“旋转舱”,如图所示。当旋转舱绕其轴线匀速旋转时,宇航员站在旋转舱内圆柱形侧壁上,可以受到与他站在地球表面时相同大小的支持力。为达到上述目的,下列说法正确的是()A.旋转舱的半径越大,转动的角速度就应越大B.旋转舱的半径越大,转动的角速度就应越小C.宇航员质量越大,旋转舱的角速度就应越大D.宇航员质量越大,旋转舱的角速度就应越小【解析】选B。宇航员站在地球表面时有FN=mg,要使宇航员站在旋转舱内圆柱形侧壁上,受到与他站在地球表面时相同大小的支持力,则FN=mrω2,解得:ω=,所以旋转舱的半径越大,转动的角速度应越小,并且与宇航员的质量无关,故选项B正确,选项A、C、D错误。gr2.如图所示,一个大轮通过皮带拉着小轮转动,皮带和两轮之间无滑动,大轮的半径是小轮的2倍,大轮上的一点S与转动轴的距离是半径的,当大轮边上P点的向心加速度是0.12m/s2时,大轮上的S点和小轮边缘上的Q点的向心加速度分别为多大?13【解析】同一轮子上的S和P点角速度相同,即ωS=ωP,由向心加速度公式a=ω2r,可得所以aS=aP·=0.12×m/s2=0.04m/s2,又因为皮带不打滑,所以皮带传动的两轮边缘各点线速度大小相等:vP=vQ,SSPParar＝，SPrr13由向心加速度公式所以aQ=aP·=0.12×m/s2=0.24m/s2答案:0.04m/s20.24m/s22QPQPravarar＝可得＝，PQrr213.如图所示,压路机大轮的半径R是小轮半径r的2倍,压路机匀速行进时,大轮边缘上A点的向心加速度是0.12m/s2,那么小轮边缘上的B点向心加速度是多少?大轮上距轴心的距离为的C点的向心加速度是多大?R3【解析】由于vB=vA,由a=,得=2,所以aB=0.24m/s2,由于ωA=ωC,由a=ω2r,得,所以aC=0.04m/s2答案:0.24m/s20.04m/s22vrBAABararCCAAar1ar3【补偿训练】一物体以12m/s的线速度做匀速圆周运动,转动周期为3s,则物体在运动过程中的任一时刻,速度变化率的大小为()A.m/s2B.8m/s2C.0D.8πm/s223【解析】选D。由于物体的线速度v=12m/s,角速度ω=rad/s。所以它的速度变化率an=vω=12×m/s2=8πm/s2,选项D正确。22T3＝23【拓展例题】考查内容:变速圆周运动的分析【典例】如图所示,长为L的细线一端悬于O点,另一端连接一个质量为m的小球,小球从A点由静止开始摆下,当摆到A点与最低点之间的某一位置C点时,其速度大小为v,此时悬线与竖直方向夹角为θ。求小球在经过C点时的切向加速度和向心加速度分别是多大?此时悬线对小球的拉力为多大?【解析】小球在C点时,速度大小为v,圆周运动的轨道半径为L,其重力的切向分力为mgsinθ,故小球在C点时的向心加速度为a=,切向加速度为gsinθ。设小球在C点时悬线对小球拉力为F,由F-mgcosθ=m可求得:F=m+mgcosθ。答案:gsinθ+mgcosθ2vL2vL2vL2vL2mvL【课堂回眸】