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圆学子梦想铸金字品牌
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2.向心力
第1课时向心力
【课程标准】
1.通过实验,探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系。
2.能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力。
【知识导图】
【情境引入】
做圆周运动的物体运动状态不断改变,一定受到力的作用,力沿什么方向?地球绕太阳做匀速圆周运动,地球受力沿什么方向?游乐场里面的空中飞椅做匀速圆周运动,所受合力沿什么方向?
必备知识·认知导学
一、向心力
1.定义:做匀速圆周运动的物体受到总指向圆心的力。
2.方向:始终沿着半径指向圆心。
3.来源:向心力是由某个力或者几个力的合力提供的,是根据力的作用效果命名的。
4.向心力的大小:
二、变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点
1.变速圆周运动合力的作用效果
(1)跟圆周相切的分力Ft:
与物体运动的方向平行,改变线速度的大小。
(2)指向圆心的分力Fn:
与物体运动的方向垂直,改变线速度的方向。
2.一般曲线运动
(1)曲线运动:运动轨迹既不是直线也不是圆周的曲线运动,称为一般的曲线运动,如图所示。
(2)处理方法:将曲线分割成为许多很短的小段,质点在每一小段的运动都可以看作圆周运动的一部分。微元法
【探索求真】
如图所示,游乐园有一种游戏设施叫作“魔盘”,假设当“魔盘”转动时,游客随“魔盘”一起做匀速圆周运动。
游客所受摩擦力的方向如何?
提示:游客受到摩擦力方向指向圆心。
【明辨是非】
(1)向心力可能改变物体运动的快慢。(×)
提示:向心力只能改变物体运动的方向,不能改变物体运动的快慢。
(2)变速圆周运动的向心力并不指向圆心。(×)
提示:圆周运动的向心力始终指向圆心。
(3)做匀速圆周运动的物体所受的向心力是恒力。(×)
提示:向心力方向时刻在变。
(4)一般曲线运动中弯曲程度不同的圆弧对应的圆弧半径也不同。(√)
关键能力·探究导思
学习任务一向心力的方向、特点和来源
探锚——情境创设启发设问
如图为自行车比赛中运动员正在水平路面上做匀速圆周运动。若将运动员与自行车看成整体,则运动员转弯时所需向心力的来源如何?所受的合力方向及作用效果是什么?
提示:运动员转弯时所需向心力由重力、支持力和地面对车轮的摩擦力的合力提供。合力指向圆心,充当向心力,改变速度的方向。
解锚——要点归纳规律概括
1.向心力的方向
无论是否为匀速圆周运动,其向心力总是沿着半径指向圆心,方向时刻改变,故向心力是变力。
2.向心力的特点
由于向心力始终指向圆心,其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.向心力来源的实例分析
(1)重力提供向心力
如图所示,用细绳拴住小球,使小球在竖直面内转动,当它经过最高点时,若细绳的拉力恰好为零,则此时向心力完全由小球所受的重力提供。
(2)弹力提供向心力
如图所示,在光滑水平面上,将绳子的一端系在O点,绳子另一端系一小球,使小球在水平面上做匀速圆周运动,则小球做匀速圆周运动的向心力由绳子的拉力(弹力)提供。
(3)静摩擦力提供向心力
如图所示,木块随圆盘一起在水平面内做匀速圆周运动,其向心力由静摩擦力提供。木块相对圆盘的运动趋势方向是沿半径背离圆心,静摩擦力的方向与相对运动趋势方向相反,指向圆心。
(4)合力提供向心力
如图所示,汽车过拱桥过程中,经最高点时其向心力由重力和支持力的合力提供。
(5)某一力的分力提供向心力
如图所示,小球做圆锥摆运动,绳的拉力可分解为水平分力F1和竖直分力F2,则向心力可认为由绳的拉力的水平分力提供,当然也可以认为是由重力和绳的拉力的合力提供。
起锚——典题突破学以致用
【典例1】如图所示,在匀速转动的圆筒内壁上紧靠着一个物体,物体随筒一起转动,物体所需的向心力由下面哪个力来提供()
A.重力 B.弹力
C.静摩擦力 D.滑动摩擦力
【解析】选B。物体做匀速圆周运动,合力指向圆心,对物体进行受力分析,如图所示,
物体受重力G、向上的静摩擦力Ff和指向圆心的弹力FN,其中重力G与静摩擦力Ff平衡,弹力FN提供向心力,A、C、D错误,B正确。
[思维升华]向心力来源
(1)向心力是根据力的作用效果命名的,它可以由重力、弹力、摩擦力等各种性质的力提供,也可以由它们的合力提供,还可以由某个力的分力提供。
(2)物体做匀速圆周运动的条件:合外力大小不变,方向始终与线速度方向垂直且指向圆心。
【对点训练】
1.如图所示,照片中的汽车在水平高速公路上做匀速圆周运动,则运动的汽车()
A.所受的合力可能为零
B.只受重力和地面支持力作用
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